在中心層區,滿足平衡條件所需要的軸向應力要比平均外加應力稍微髙一些,該平衡條件為在任一平麵上,鈾向應力的積分必須與在接頭搭接區外被粘物上外加的應力相等。
膠粘劑溢膠毛邊對中間層平麵上應力分布的影響。由於溢膠毛邊能傳遞某些軸向載荷,因此軸向應力總的大小以及與此相關的其它應力都略有減少。較小的溢膠毛邊同樣也使應力值減小,但減小並不顯著。膠粘劑溢膠毛邊的存在能減少被粘物邊角上預測的應力集中。從位移梯度曲線得到的應力集中值是1.8。毛邊的大小對該值的影響很小。如在扭轉條件下,離開膠層的溢膠內的平均應力很小,比外加在接頭上的平均應力小10。
在實際中,或許某些應力鬆弛辦法會減少靠近被粘物邊角上的高拉伸應力,盡管高強度的結構型膠粘劑在拉伸時通常僅顯示出有限的非線性特性。在拉伸破壞中的環狀對接接頭的破壞表麵。膠粘劑是環氧樹脂基體由英國有限公司製造。在粘接前,先對被粘物進行噴丸清理,再在三氯乙烯蒸汽中清除表麵上的油汙。膠粘劑在150度溫度下固化1小時。在外加的平均拉伸應力達到虹2時,接頭破壞。破壞主要是粘聚性破壞(即破壞完全在膠層內),但也有靠近接頭邊緣的粘附破壞(即破壞發生在膠接界麵上)。據推測這是由於較高的軸向應力集中造成的。在靠近外溢膠毛邊的被粘物表麵上有一個區域顯露出來。在環狀接頭的內半徑上,破壞發生在膠粘劑與其它被粘物之間的膠接界麵上。粘附破壞和粘聚性破壞,在軸向拉伸時,有膠粘劑毛邊和無膠粘劑毛邊實心體對接接頭的應力分布(長度與直徑之比為20,表示無膠粘劑毛邊)
拉伸時對接接頭被破壞的表麵的破壞表麵之間的差別是相當顯著的。應力集中的存在和在這些應力集中區內過早地發生破壞,說明對外加在對接接頭上的平均應力破壞時的膠粘劑拉伸強度估計不足。但是,這類的試件通常能給出相當精確的直到發生過早破壞點為止的應力-應變曲線,同時還可提供高的縱橫比,用來確保均勻應力的中心層區與外邊緣區的大比值。在分析由這類試件得到的試驗數值時,也應當記住,大多數的這類膠粘劑是受到三維應力狀態製約的,除能增加強度外,這種狀態還可能影響到屈服或破壞特性。
亞當斯和科朋代爾(1979年)在進一步研究中考慮了膠粘劑屈服時發生的情況。他們使用了由拉格哈瓦等人所提出的與壓力有關的屈服準則,即馮·米塞斯的屈服應力偏量在流體靜壓按線性增加的情況下引起的屈服。屈服表麵變為旋轉拋物麵。他們假定在壓縮載荷作用下,對接接頭中的膠粘劑不產生屈服。事實上,如果屈服已開始發生,則由於泊鬆比的增加,使屈服範圍受到很大抑製。
為了研究這種現象,曾對三種口環氧樹脂基體材料進行了一係列的對照試驗。在對接接頭試件中使用了髙強度的鋼被粘物。在壓縮狀態,接頭上單軸向承載的額定應力加到,就接近於鋼的屈服應力。然後卸去載荷,並重新對接頭施以拉伸載荷。進行了類似試驗,載荷一直加到150。此外,在壓縮狀態下,應力-應變曲線為線性的,而拉伸破壞時的應力卻很低。
接頭在設計中的應用
從已經敘述的接頭來看,有效使用接頭的關鍵是粘接的設計,而不是簡單地用粘接接頭來代替其它的連接方法。因而應避免接頭的應力集中,並使承受載荷的區域盡可能大。剝離載荷是粘接接頭設計中的大敵。應盡可能使膠粘劑處於剪切載荷之下,以避免剝離應力和劈裂應力。
如何對不可避免的剝離載荷作用采用在破裂前會廣泛屈服的韌性膠粘劑進行補償。盡管有一個較大的完全粘接區,但隻有很小的部分是承受載荷的,這樣就會造成很高的局部應力,且可能在低載荷下發生破壞。韌性膠粘劑在破壞前發生廣泛的屈服,這樣就能使接頭在較大的區域內承受載荷。就能使韌性膠粘劑剝離的接頭增大到10倍的較高強度。
增大搭接接頭或剝離接頭的寬度,能使接頭強度成比例增加。而增加接頭長度,隻對非常短的搭接接頭有利。現在讀者的注意力將再次被拉回到哈特·史密斯的理論上來,根據該理論,在接頭中部有一個大的低應力區會有益於接頭的強度,特別是當必須考慮蠕變和疲勞時。