3D打印復(fù)合結(jié)構(gòu)等類似的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，基于BEM對結(jié)構(gòu)的斷裂性能進(jìn)行評估時(shí)，對峰值載荷Pmax對應(yīng)的擴(kuò)展裂紋長度afic的測量是很重要的。

因肉眼不能觀測到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)際斷裂情況，很難獲得精確的虛擬裂紋長度數(shù)值，只能通過測量表面實(shí)際觀測的裂紋長度來近似。對各種尺寸類型的試件的afic分別測量，之后進(jìn)一步得出試件的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Cch，將其與試件的幾何尺寸值與峰值載荷Pmax值帶入BEM中，計(jì)算3D打印試件的拉伸強(qiáng)度ft和斷裂韌性KIC。

PLA材料單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件特性

對于由PLA材料制備的各個(gè)單邊缺口三點(diǎn)彎曲試件：
因絲材結(jié)合面的質(zhì)量及力學(xué)性能與孔隙率等相關(guān)，所以各個(gè)試件的微觀結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上均是隨機(jī)的，各不相同。試驗(yàn)完成后，觀察發(fā)現(xiàn)各個(gè)試件即使在同種承載模式下，形成的裂尖損失區(qū)都很隨機(jī)，差異明顯，各個(gè)試件裂尖損傷區(qū)的孔隙率也不一致。通常表現(xiàn)為試件的幾何尺寸越大，裂尖損失區(qū)越大，對應(yīng)的擴(kuò)展裂紋長度afic也就越長。
對于同種尺寸類型的各個(gè)試件，即使是對于同一試件，在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)過程中，試件兩側(cè)的裂尖損失區(qū)的形狀、長度及損傷區(qū)孔隙率也隨機(jī)分布，均不相同，有較為明顯的差異。

裂紋擴(kuò)展長度測量方法

對3D打印試件表面的裂紋擴(kuò)展長度進(jìn)行測量時(shí)，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)過程中裂紋尖端存在開裂現(xiàn)象，裂尖形狀和角度均發(fā)生了變化，試驗(yàn)結(jié)束后難以確認(rèn)試件最初的裂紋尖端位置，無法對試件的裂紋擴(kuò)展長度直接進(jìn)行測量。
所以對于每個(gè)試件的裂紋擴(kuò)展長度的測量采用間接測量法，測量的工具選擇精度為0.01mm的游標(biāo)卡尺。就以試件表面觀測到的裂紋終止點(diǎn)作為最終的裂紋終止點(diǎn)，對試件兩側(cè)裂紋終止點(diǎn)分別做標(biāo)記，分別測量試件底部到裂紋終止點(diǎn)的距離作為完整的裂紋深度。
試件的裂尖損失區(qū)較大，所以在實(shí)際測量過程中產(chǎn)生的測量誤差以及試件內(nèi)部的裂紋終止點(diǎn)與表面觀測到的最終的裂紋終止點(diǎn)的誤差對于最終計(jì)算拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生的誤差很小，可以忽略不計(jì)。

3D打印試件斷裂階段

3D打印試件的斷裂屬于準(zhǔn)脆性斷裂，在試驗(yàn)過程中，一共包括三個(gè)階段：

• 線性階段：當(dāng)施加在試件上方的載荷逐漸增大，上方壓頭向下的位移逐漸增加時(shí)，載荷 - 位移曲線顯現(xiàn)的是線性段。此時(shí)在試件表面肉眼觀測不到裂紋，試件內(nèi)部的絲材受到載荷作用不斷被拉長，變形增加。
• 軟化階段：隨著載荷不斷增加，壓頭繼續(xù)向下壓，試件的斷裂都是從裂尖位置開始，隨著載荷增大一步步打開變鈍，裂紋尖端角不斷張開，角度增大，相鄰層結(jié)構(gòu)界面出現(xiàn)脫粘，同層的絲材隨著載荷不斷增大沿著橫向產(chǎn)生變形發(fā)生層間斷裂進(jìn)一步延伸至跨層斷裂。在跨中位置沿著裂紋尖端上方開始出現(xiàn)微裂紋，裂紋在與施力方向相反的方向向上開始不斷增長，此時(shí)載荷 - 位移曲線顯現(xiàn)的是非線性段，試件上方開始出現(xiàn)局部塑性變形。
• 失效階段：隨著載荷不斷增加，裂紋擴(kuò)張進(jìn)一步擴(kuò)大沿著45°/135°的方向形成裂紋多扭結(jié)現(xiàn)象。當(dāng)施加的荷載達(dá)到峰值載荷Pmax后荷載逐漸下降，裂紋繼續(xù)增長。對所有的試件，當(dāng)施加的荷載下降了Pmax的2%時(shí)對試件卸載停機(jī)。

3D打印試件斷裂模式

3D打印試件具有三種不同的斷裂模式：裂紋首先經(jīng)歷層間斷裂，此時(shí)裂紋主要在相鄰的打印層之間擴(kuò)展，受層間結(jié)合強(qiáng)度影響顯著；之后是跨層斷裂，裂紋突破層間限制，向其他層擴(kuò)展，涉及更廣泛的材料區(qū)域；最終形成裂紋多扭結(jié)的路徑，裂紋在擴(kuò)展過程中不斷改變方向，形成復(fù)雜的扭結(jié)形態(tài)，這種斷裂模式綜合反映了3D打印材料在不同方向和層次上的力學(xué)性能差異以及裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)特性。

上一篇：3D打印試件斷裂性能相關(guān)研究
下一篇：3D 打印多領(lǐng)域應(yīng)用下的技術(shù)演進(jìn)與挑戰(zhàn)突破