3.1 构造分析
通过激光共聚焦显微镜进行观察螺栓及拉铆钉牙型特征及工作原理,可以看出螺栓螺杆的牙型都比较一致,呈现三角状,紧固后牙型并不会发生很大的变化,螺母螺纹与螺栓螺纹仅在牙纹侧边形成点接触,接触面积占总面积比例较小,咬口间有较大空隙,腐蚀介质易进入空隙造成螺栓连接节点内部腐蚀,螺栓的镀锌层会很快被破坏丧失保护基体的能力,而腐蚀产物的产生会导致腐蚀介质长时间在潮湿的缝隙中停留,这加速了螺栓的腐蚀.如图 10所示螺栓工作状态牙型图.
拉铆钉在紧固后,由于套环在外力挤压下发生了较大的塑性变形,套环的内侧光面会和原铆杆接触并被挤压形成牙型凹槽与铆杆的螺纹紧紧咬合在一起,且铆杆牙型呈现圆弧状,套环与铆杆的连接有更大的接触面积,其紧固程度也有很大提高,拉铆钉独特的过盈配合连接方式,在腐蚀环境中可以更好地抵御腐蚀介质的渗透,如图 11所示在拉铆钉工作状态牙型图.
此外,拉铆钉的锁紧槽牙型由连续多段不同直径的圆弧组合而成,而螺栓牙型为60°的等边三角形结构,拉铆钉的牙底圆角半径较大,相比之下,螺栓牙底的圆角半径较小,如图 12所示,因此在承受相同荷载作用的条件下,螺栓存在的缺口效应会产生较大的应力集中效应,相比于螺栓牙型,拉铆钉牙型则有更小应力集中效应,根据张钦等人[21]的研究成果表明:螺栓牙型的最大应力约为拉铆钉牙型应力的4倍,拉铆钉牙型的圆弧结构可以有效地降低牙底和牙顶的应力集中,而在相同腐蚀环境下,应力的存在会显著提高钢材表面的腐蚀活性,从而加速表面腐蚀形貌的发展[22].
因此,对比两种连接方式,拉铆连接在构造上有天然的优势,在工作中可以更好地抵御腐蚀介质对连接进一步腐蚀,在同样条件下螺栓螺杆腐蚀更加严重,因此,最终在腐蚀后拉铆连接抗剪承载力下降程度较小.
图 10 螺栓工作状态牙型图
Fig.10 Tooth profile diagram of bolt working state
图 11 拉铆钉工作状态牙型图
Fig.11 Tooth profile diagram of pull rivet working state
图 12 拉铆钉与螺栓牙型对比
Fig.12 Comparison of pull rivet and bolt profile
3.2 腐蚀后试件宏观形貌分析
对拉铆和螺栓连接节点试件按照铜加速乙酸盐雾试验方法开展为期90 d的腐蚀试验,开始状态如图 13所示.经过观察,在30 d的腐蚀后,连接件表面金属光泽度明显减低,部分区域出现表层粉化现象和红褐色腐蚀物,但是螺栓和拉铆钉并未出现明显腐蚀现象,如图 14所示.试验进行到第60天后,连接件金属外表面出现起泡、龟裂和部分脱落等老化现象,并开始出现大面积红褐色腐蚀产物,螺栓和拉铆钉外露部分表面均匀覆盖着白色的腐蚀产物,如图 15所示.90 d后,连接件表面开始被大面积红褐色和黑褐色铁锈覆盖,拉铆钉和螺栓表面镀锌层不可见金属光泽,褐色腐蚀产物覆盖在拉铆钉和螺栓表面,细看可见伴有明显的老化现象,部分区域的腐蚀产物开始大面积剥落,随着盐雾腐蚀时间的延长,红色锈迹覆盖面积不断扩大,原本残留的少量白色腐蚀产物逐渐被红色铁锈覆盖,同时位于红色铁锈处的锈蚀坑也变得越来越深,如图 16所示.
图 13 腐蚀第1天
Fig.13 Corrosion Day 1
图 14 腐蚀第30天
Fig.14 30days of corrosion
图 15 腐蚀第60天
Fig.15 60days of corrosion
图 16 腐蚀第90天
Fig.16 90days of corrosion
观察腐蚀后螺栓及拉铆钉的变化,螺栓暴露在外面部分与腐蚀介质直接接触腐蚀最为严重,其次是螺栓螺杆和螺母接触的部位,这是由于螺栓拧紧能阻止一部分腐蚀介质进入缝隙产生腐蚀,腐蚀后的螺杆和螺帽如图 17所示.对断口进行观察,螺栓的横截面四周朝着截面圆心方向已经被腐蚀,螺栓横截面的有效面积减少,抗剪承载力降低,腐蚀后的螺栓连接断口如图 18所示.
拉铆钉腐蚀后外露的套环腐蚀较为严重,套环外表面布满了红褐色与棕褐色相间的腐蚀产物,其中与板材孔壁接触的铆杆外表面只是受到轻微腐蚀,其上可见少量的黄褐色腐蚀产物,外表面仍有金属光泽如图 19,铆杆上镀锌层较为完整,这说明拉铆钉在工作时具有较好的密封性.而产生少量腐蚀的原因是拉铆钉和铆接孔之间有一定的空隙,腐蚀介质进入空隙中导致发生腐蚀.对比观察腐蚀后拉铆钉的断口如图 20,与螺栓连接相比,其腐蚀程度较轻.
图 17 腐蚀后的螺栓螺杆及螺帽
Fig.17 Corroded bolts, screws and nuts
图 18 腐蚀后的螺栓连接断口形貌
Fig.18 Fracture morphology of corroded bolt connection
图 19 腐蚀后的拉铆钉铆杆和套环
Fig.19 Corroded rivet rod and collar of pull rivet
图 20 腐蚀后的拉铆连接断口形貌
Fig.20 Fracture morphology of riveted connection after corrosion
与拉铆连接相比,螺栓连接的腐蚀情况更加严重,在外观上拉铆连接表现出更好的防腐蚀性能,故而拉铆钉腐蚀后的抗剪承载力下降幅度低于同规格螺栓.
3.3 腐蚀后试件微观形貌分析
对发生腐蚀后的螺栓和拉铆钉进行酸洗去锈处理,然后对其进行线切割后对两者的表面微观腐蚀相貌进行对比分析.
通过观察,螺栓的螺杆全段均发生了腐蚀,螺栓表面镀锌层几乎完全腐蚀殆尽,丧失对基体的保护作用,外表面分布有密集细小的蚀坑,部分蚀坑连城一片,发展为明显的微裂纹,如图 21所示.观察螺栓断口,可以明显地看到截面因腐蚀产生较大削弱,如图 22所示.
相比较于其他部位,直接暴露在外与腐蚀介质直接接触的部位拉铆钉腐蚀痕迹明显,表面出现大面积蚀坑和剥落层,如图 23、图 24所示,说明此处镀锌层已经发生严重破坏,金属基体也发生了严重腐蚀而剥落.拉铆连接腐蚀后其中与板材孔壁接触部分的铆杆段腐蚀较为轻微,表现为小范围内可见麻面现象,部分镀锌层剥落如图 25所示,拉铆钉基体表面镀锌层基本完整,依然对基体有保护作用,但是依稀可见基体有被破坏的特征,基体出现蚀坑.由于拉铆钉紧固程度较大,拉铆钉铆杆与套环咬合紧固部位几乎没有明显腐蚀现象,镀锌层有金属光泽.
对比分析螺栓和拉铆钉腐蚀后的微观形貌特征,与宏观腐蚀形貌对比结果较为一致,在同样的腐蚀条件下,螺栓腐蚀后镀锌层破坏更为严重,基体腐蚀情况也更加严重,对螺杆截面产生较大的截面削弱,产生更多的腐蚀坑,腐蚀产生的蚀坑和裂纹会产生较大的应力集中效应,当集中应力超过基体材料的强度极限时就会导致断裂发生,而拉铆连接则腐蚀较为轻微.
图 21 螺栓腐蚀后表面微观形貌
Fig.21 micro morphology of bolt surface after corrosion
图 22 螺栓断口微观腐蚀形貌
Fig.22 micro corrosion morphology of bolt fracture
图 23 拉铆钉外露铆杆的腐蚀形貌
Fig.23 Corrosion morphology of exposed rivet rod of pull rivet
图 24 拉铆钉外露铆杆基体腐蚀形貌
Fig.24 Corrosion morphology of exposed rivet rod matrix of pull rivet
图 25 板材孔壁接触部分铆杆腐蚀形貌
Fig.25 corrosion morphology of rivet rod at plate hole wall contact part
因此,螺栓腐蚀后抗剪承载力下降的主要原因是腐蚀坑产生的应力集中和腐蚀对螺杆截面的削弱,拉铆钉腐蚀后抗剪承载力下降的主要原因是腐蚀坑产生的应力集中.由于实验时间较短,拉铆钉腐蚀轻微,随着腐蚀时间的增加,拉铆钉也会因为腐蚀产生截面削弱,其削弱程度也会明显小于螺栓,其抗腐蚀的优异性也会更加明显.
3.4 物理表征分析
针对拉铆和螺栓连接节点中发生破坏的螺栓和拉铆钉试样,在扫描电镜下取拉铆钉和螺栓局部面积,探究腐蚀后螺栓和拉铆钉外表面镀锌层的破坏和基体腐蚀程度.采用系统自带的能谱仪对所选择的部位微区内元素进行定量分析,其中Zn元素代表镀锌层、Fe元素代表基体、Cu元素和Cl元表腐蚀产物以及代表腐蚀介质.
由图 26的元素分布可知,拉铆钉第一圈螺纹处的镀锌层并没有受到严重的腐蚀破坏,保留得相对比较完整,对基体依然有较好的保护作用,铁元素出现的地方说明镀锌层遭到了腐蚀破坏,金属基体暴露,如果继续处在腐蚀环境中,失去镀锌层保护的基体将发生进一步的腐蚀,氧元素表明观察部位发生腐蚀产生了氧化产物,在一定程度上可以和铁元素结合来判断试样的受腐蚀程度,另外氯元素和铜元素的分布,表明此处堆积残留了较多的腐蚀介质.
由图 27的元素分布,观察到拉铆钉外露部位分布的锌元素较少,镀锌层已经被破坏,和图 24相比,这个区域所含的铁元素和氧元素含量较高,说明已经发生了比较严重的腐蚀,产生了较多的氧化腐蚀产物.从氯元素和铜元素的分布来看,此部位没有过多腐蚀介质堆积.
从图 28、图 29的元素分布可知,螺栓外表面含有较多的氧元素和铁元素分布,其中在螺纹牙型的顶部可见少量锌元素,镀锌层发生较为严重破坏,金属基体发生腐蚀,产生了较多的氧和铁的化合物,聚集了较多的腐蚀产物,说明螺栓在服役的过程中,螺杆和螺纹之间的缝隙使得腐蚀介质的侵入和转移,最终使得整个螺栓主体发生腐蚀.在观察的区域内可见均匀分布的氯元素和少量铜元素可以证明这一点.
图 26 拉铆钉试样SEM下EDX分析
Fig.26 EDX analysis of pull rivet specimen under SEM
图 27 拉铆钉试样SEM下EDX分析
Fig.27 EDX analysis of pull rivet specimen under SEM
图 28 螺栓试样SEM下EDX分析
Fig.28 EDX analysis of bolt sample under SEM
图 29 螺栓试样SEM下EDX分析
Fig.29 EDX analysis of bolt sample under SEM
通过上面的观察和分析,拉铆钉铆杆和套环的过盈配合可以抵御腐蚀介质的侵入,切断腐蚀介质的转移路径,只要合理控制连接件的孔径,可保护拉铆钉主体只发生轻微腐蚀甚至一些部位不发生腐蚀,从而减缓其力学性能的衰退.
