增材製造PET和ABS聚合物的疲勞和斷裂

      通過增材製造(AM)製備微小零件目前在許多工業(ye) 領域中發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(chuan) 統生產(chan) 工藝中獲得的零件更差，AM獲得的聚合物零件的斷裂與(yu) 疲勞機製也比傳(chuan) 統製造的零件更加複雜。基於(yu) 此，波蘭(lan) Military University的Kluczynski等人針對AM獲得PET和ABS聚合物開展了係統的斷裂與(yu) 疲勞實驗，深入研究了增材製造構件的失效機理，探究了與(yu) 增材製造過程相關(guan) 的孔洞、分層等缺陷對材料抗斷裂和抗疲勞性能的影響。

       DIC方法可以觀察到製造聚合物的斷裂全過程，有助於(yu) 對從(cong) 起始到失效的整個(ge) 斷裂過程的演化規律進行直觀了解。兩(liang) 種打印材料ABS和PET-G的拉伸測試DIC結果如圖1所示。在斷裂之前，兩(liang) 種材料在斷點附近出現顯著的應變集中，表明熔融沉積材料的邊緣位置性質對其斷裂性能影響顯著。兩(liang) 種材料沿應變Y軸（如圖1所示）的斷裂應變集中點存在明顯的差異性。ABS樣品的應變集中點出現在一些確切的位置上，隨著拉伸應變的增加，應變集中程度逐漸增加，集中點位置不變，直至樣品發生斷裂失效。在PET-G樣品中，應變集中點在整個(ge) 觀察區域中均勻出現，如圖中所示觀察到明顯的高應變區域，因此導致PET-G樣品出現不規則斷裂和破碎現象。

圖1 ABS和PET-G增材製造樣品的DIC結果

      在應變控製疲勞加載過程中，ABS和PET-G的應力幅值隨循環圈數的變化如圖2所示。雖然兩(liang) 者都具有周期性軟化的特征，但是PET-G的軟化過程更接近於(yu) 線性變化，而ABS的軟化過程則與(yu) 金屬材料相似分為(wei) 三個(ge) 不同階段。通過提取應力-應變滯回環曲線的演化，發現ABS的滯回環麵積比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，在循環過程中ABS的楊氏模量也發生了顯著變化，而PET-G的楊氏模量基本不變，因此ABS易表現出非線性軟化過程。上述現象可能與(yu) 增材製造樣品的層狀結構有關(guan) ，疲勞載荷不僅(jin) 會(hui) 影響擠出絲(si) 材的力學性能，也會(hui) 影響不同絲(si) 材之間的結合強度，使得疲勞失效機理十分複雜。

圖2 ABS和PET-G樣品的應力振幅隨循環圈數的變化

      ABS和PET-G樣品的疲勞斷口形貌圖如圖2所示，在ABS樣品斷裂麵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(hui) 從(cong) 樣品的邊緣逐漸擴展到中間直至貫穿整個(ge) 試樣橫截麵。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律與(yu) 塊體(ti) 材料的疲勞裂紋擴展規律一樣。在裂紋擴展至絲(si) 材的連接處後，會(hui) 逐漸地轉變為(wei) 非穩定脆性裂紋，其擴展路徑極不穩定，而且多發生於(yu) 絲(si) 材連接的弱界麵區域。

       本文係統探究了增材製造的PET和ABS聚合物的疲勞和斷裂失效機理。本文觀察了兩(liang) 種增材製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(yu) 疲勞裂紋擴展機製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律，可以嚐試聯係微觀機製的演化來建立疲勞壽命預測模型。如考慮絲(si) 材的循環軟化規律與(yu) 結合界麵的剛度衰退規律等等，建立考慮微觀機製的疲勞損傷(shang) 演化模型，來評估不同打印工況下的樣品疲勞壽命，確保構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