增材制造PET和ABS聚合物的疲劳和断裂

      通过增材制造(AM)制备微小零件目前在许多工业领域中发挥着越来越重要的作用。然而，AM获取的零件的机械性能通常比在传统生产工艺中获得的零件更差，AM获得的聚合物零件的断裂与疲劳机制也比传统制造的零件更加复杂。基于此，波兰Military University的Kluczynski等人针对AM获得PET和ABS聚合物开展了系统的断裂与疲劳实验，深入研究了增材制造构件的失效机理，探究了与增材制造过程相关的孔洞、分层等缺陷对材料抗断裂和抗疲劳性能的影响。

       DIC方法可以观察到制造聚合物的断裂全过程，有助于对从起始到失效的整个断裂过程的演化规律进行直观了解。两种打印材料ABS和PET-G的拉伸测试DIC结果如图1所示。在断裂之前，两种材料在断点附近出现显著的应变集中，表明熔融沉积材料的边缘位置性质对其断裂性能影响显著。两种材料沿应变Y轴（如图1所示）的断裂应变集中点存在明显的差异性。ABS样品的应变集中点出现在一些确切的位置上，随着拉伸应变的增加，应变集中程度逐渐增加，集中点位置不变，直至样品发生断裂失效。在PET-G样品中，应变集中点在整个观察区域中均匀出现，如图中所示观察到明显的高应变区域，因此导致PET-G样品出现不规则断裂和破碎现象。

图1 ABS和PET-G增材制造样品的DIC结果

      在应变控制疲劳加载过程中，ABS和PET-G的应力幅值随循环圈数的变化如图2所示。虽然两者都具有周期性软化的特征，但是PET-G的软化过程更接近于线性变化，而ABS的软化过程则与金属材料相似分为三个不同阶段。通过提取应力-应变滞回环曲线的演化，发现ABS的滞回环面积比PET-G的大得多，表明ABS在疲劳加载过程中耗散了更多的机械能。此外，在循环过程中ABS的杨氏模量也发生了显著变化，而PET-G的杨氏模量基本不变，因此ABS易表现出非线性软化过程。上述现象可能与增材制造样品的层状结构有关，疲劳载荷不仅会影响挤出丝材的力学性能，也会影响不同丝材之间的结合强度，使得疲劳失效机理十分复杂。

图2 ABS和PET-G样品的应力振幅随循环圈数的变化

      ABS和PET-G样品的疲劳断口形貌图如图2所示，在ABS样品断裂面观察到明显的渐进裂纹扩展过程，即AM打印样品的疲劳裂纹会从样品的边缘逐渐扩展到中间直至贯穿整个试样横截面。尽管熔融沉积材料之间存在明显的空隙，但是其疲劳裂纹扩展规律与块体材料的疲劳裂纹扩展规律一样。在裂纹扩展至丝材的连接处后，会逐渐地转变为非稳定脆性裂纹，其扩展路径极不稳定，而且多发生于丝材连接的弱界面区域。

       本文系统探究了增材制造的PET和ABS聚合物的疲劳和断裂失效机理。本文观察了两种增材制造材料的疲劳失效微观形貌，但是对不同打印方向、不同打印形式等等对AM打印材料的疲劳寿命与疲劳裂纹扩展机制的影响的探究仍然存在一定的不足。本文初步建立了AM打印材料的疲劳寿命曲线及其演化规律，可以尝试联系微观机制的演化来建立疲劳寿命预测模型。如考虑丝材的循环软化规律与结合界面的刚度衰退规律等等，建立考虑微观机制的疲劳损伤演化模型，来评估不同打印工况下的样品疲劳寿命，确保构件的长期服役安全性。

图3 ABS和PET-G样品的疲劳断口形貌图