增材制造PET和ABS聚合物的疲勞和斷裂

      通過增材制造(AM)制備微小零件目前在許多工業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統生產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制造的零件更加復雜。基于此，波蘭Military University的Kluczynski等人針對AM獲得PET和ABS聚合物開展了系統的斷裂與疲勞實驗，深入研究了增材制造構件的失效機理，探究了與增材制造過程相關的孔洞、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律進行直觀了解。兩種打印材料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增材制造樣品的DIC結果

      在應變控制疲勞加載過程中，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。通過提取應力-應變滯回環曲線的演化，發現ABS的滯回環面積比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。上述現象可能與增材制造樣品的層狀結構有關，疲勞載荷不僅會影響擠出絲材的力學性能，也會影響不同絲材之間的結合強度，使得疲勞失效機理十分復雜。

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律與塊體材料的疲勞裂紋擴展規律一樣。在裂紋擴展至絲材的連接處后，會逐漸地轉變為非穩定脆性裂紋，其擴展路徑極不穩定，而且多發生于絲材連接的弱界面區域。

       本文系統探究了增材制造的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律，可以嘗試聯系微觀機制的演化來建立疲勞壽命預測模型。如考慮絲材的循環軟化規律與結合界面的剛度衰退規律等等，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