通過增材制造(AM)制備微小零件目前在許多工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，AM獲取的零件的機械性能通常比在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中獲得的零件更差，AM獲得的聚合物零件的斷裂與疲勞機制也比傳統(tǒng)制造的零件更加復(fù)雜。基于此，波蘭Military University的Kluczynski等人針對AM獲得PET和ABS聚合物開展了系統(tǒng)的斷裂與疲勞實驗，深入研究了增材制造構(gòu)件的失效機理，探究了與增材制造過程相關(guān)的孔洞、分層等缺陷對材料抗斷裂和抗疲勞性能的影響。
DIC方法可以觀察到制造聚合物的斷裂全過程，有助于對從起始到失效的整個斷裂過程的演化規(guī)律進行直觀了解。兩種打印材料ABS和PET-G的拉伸測試DIC結(jié)果如圖1所示。在斷裂之前，兩種材料在斷點附近出現(xiàn)顯著的應(yīng)變集中，表明熔融沉積材料的邊緣位置性質(zhì)對其斷裂性能影響顯著。兩種材料沿應(yīng)變Y軸（如圖1所示）的斷裂應(yīng)變集中點存在明顯的差異性。ABS樣品的應(yīng)變集中點出現(xiàn)在一些確切的位置上，隨著拉伸應(yīng)變的增加，應(yīng)變集中程度逐漸增加，集中點位置不變，直至樣品發(fā)生斷裂失效。在PET-G樣品中，應(yīng)變集中點在整個觀察區(qū)域中均勻出現(xiàn)，如圖中所示觀察到明顯的高應(yīng)變區(qū)域，因此導(dǎo)致PET-G樣品出現(xiàn)不規(guī)則斷裂和破碎現(xiàn)象。
圖1 ABS和PET-G增材制造樣品的DIC結(jié)果
在應(yīng)變控制疲勞加載過程中，ABS和PET-G的應(yīng)力幅值隨循環(huán)圈數(shù)的變化如圖2所示。雖然兩者都具有周期性軟化的特征，但是PET-G的軟化過程更接近于線性變化，而ABS的軟化過程則與金屬材料相似分為三個不同階段。通過提取應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)曲線的演化，發(fā)現(xiàn)ABS的滯回環(huán)面積比PET-G的大得多，表明ABS在疲勞加載過程中耗散了更多的機械能。此外，在循環(huán)過程中ABS的楊氏模量也發(fā)生了顯著變化，而PET-G的楊氏模量基本不變，因此ABS易表現(xiàn)出非線性軟化過程。上述現(xiàn)象可能與增材制造樣品的層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)，疲勞載荷不僅會影響擠出絲材的力學(xué)性能，也會影響不同絲材之間的結(jié)合強度，使得疲勞失效機理十分復(fù)雜。
圖2 ABS和PET-G樣品的應(yīng)力振幅隨循環(huán)圈數(shù)的變化
ABS和PET-G樣品的疲勞斷口形貌圖如圖2所示，在ABS樣品斷裂面觀察到明顯的漸進裂紋擴展過程，即AM打印樣品的疲勞裂紋會從樣品的邊緣逐漸擴展到中間直至貫穿整個試樣橫截面。盡管熔融沉積材料之間存在明顯的空隙，但是其疲勞裂紋擴展規(guī)律與塊體材料的疲勞裂紋擴展規(guī)律一樣。在裂紋擴展至絲材的連接處后，會逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)定脆性裂紋，其擴展路徑極不穩(wěn)定，而且多發(fā)生于絲材連接的弱界面區(qū)域。
本文系統(tǒng)探究了增材制造的PET和ABS聚合物的疲勞和斷裂失效機理。本文觀察了兩種增材制造材料的疲勞失效微觀形貌，但是對不同打印方向、不同打印形式等等對AM打印材料的疲勞壽命與疲勞裂紋擴展機制的影響的探究仍然存在一定的不足。本文初步建立了AM打印材料的疲勞壽命曲線及其演化規(guī)律，可以嘗試聯(lián)系微觀機制的演化來建立疲勞壽命預(yù)測模型。如考慮絲材的循環(huán)軟化規(guī)律與結(jié)合界面的剛度衰退規(guī)律等等，建立考慮微觀機制的疲勞損傷演化模型，來評估不同打印工況下的樣品疲勞壽命，確保構(gòu)件的長期服役安全性。
圖3 ABS和PET-G樣品的疲勞斷口形貌圖
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