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(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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)存在明顯的差異性。ABS樣品的應(yīng)變集中點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)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(qiáng)度，使得疲勞失效機(jī)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(jìn)裂紋擴(kuò)展過程，即AM打印樣品的疲勞裂紋會從樣品的邊緣逐漸擴(kuò)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(kuò)展規(guī)律與塊體材料的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律一樣。在裂紋擴(kuò)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(kuò)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(jī)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(kuò)展機(jī)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(jī)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(jī)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