車用3D打印材料疲勞缺陷特征研究

韓 晗， 楊亞莉， 張 易， 李永康， 堯全恒

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院， 上海 201620)

0 引 言

作為3D印刷材料，碳纖維復合材料在強度、密度等方面都具有一定優勢，其綜合性能比單一材料具有更多優點，可以滿足各種情況和場合的需要，在如今的車輛制造中也被廣泛應用。然而，在碳纖維復合材料的處理和長期使用過程中存在各種缺陷。這些缺陷的存在不僅嚴重影響材料的性能，且具有潛在的安全性隱患。因此，選擇適當的方法來檢測其內部缺陷，并識別缺陷的類型顯得尤為重要。

早在20世紀70年代,國外已成功研發了復合材料的生產與使用過程中的無損測試技術，隨之產生了多種適應于復合材料特點的無損檢驗新技術和新方法,在解決復合材料的無損檢驗問題,促進新材料的普遍使用中起到了很大作用[1]。以在微機上的無損測量方面的廣泛應用為特點的無損檢測技術迅速發展,而無損檢測技術本身也就產生了新的技術和新的工藝。經過不斷發展,極大地提高了無損檢測器的效能。目前,無損檢測診斷技術正向著高靈敏性、高可靠性、高效的方向邁進。而無損檢測方法、無損檢測診斷驗收標準、工藝過程設計、標準化實施方法、無損檢驗技術等在生產中都扮演了日益關鍵的角色[2]。

目前，常用的無損檢測方法主要有渦流檢測、X射線CT(XCT)檢測、熱成像技術、超聲波技術[3-4]等。如：Todorov等[5]使用一組渦流傳感器對印刷樣品進行三維檢測，實現攝像功能。Ziókowski[6]與 Zanini[7]等利用XCT檢測SLM樣品中316 L不銹鋼TC4部件的空隙率和孔容量。Montinaro[8]等則利用熱成像技術，通過感興趣區域的平均溫度和溫度標準差，測量3D打印中的缺陷。德國MTU航空發動機有限公司[9-10]利用先進光學層析成像技術,將高精度的光學應用鏡頭配置在加工助劑和成形裝置上，用以監視成形過程中的非共晶問題。等[11]通過使用工業相機的被動視覺成像技術和結構光主動視覺成像,成功研制了一個3D打印在線檢測系統，并完成了熔覆層高度信號的收集。但是,這些研究成果大都面向的是3D打印材料中比較普通的金屬板材，而缺乏通過XCT數字化掃描技術對碳纖維材料的微觀損傷方面的深入研究。

本文針對對3D打印機用碳纖維材質的疲勞與破壞特性開展了階段性研究，旨在掌握各個階段疲勞負荷下的破壞程度與缺陷特性。采用了CT掃描技術對樣品的缺陷進行了測量,在已獲得的細觀缺陷的基礎上，深入研究了金屬材料在熱循環壓力影響下的破壞規律,從而獲得了表征金屬材料破壞規律的最佳缺陷表征方法。

1 試驗設計

首先，對碳纖維試件在室溫下進行靜態拉伸實驗，得到拉伸強度、彈性模量、斷裂強度、伸長率等基本力學性質，從而獲得強度極限值和塑性變形指標。在此材料參數基礎上，進行階段性疲勞拉伸實驗。使用CT掃描技術，分析疲勞損傷過程不同階段損傷程度的差異，確定損傷程度和特性評價參數。

1.1 試件制備

試驗材料為碳纖維復合材料，試件采用杠鈴式平板設計。根據國家標準《碳纖維復絲拉伸性能試驗方法》( GB/T 3362) ，在符合試驗機的情況下，使用3D打印設備進行打印制備。樣本尺寸和三維效果如圖1所示。

(a) 試件尺寸

1.2 靜拉伸測試

實驗依據GB/T 3362標準，選擇使用WSM電子萬能試驗裝置。實驗過程中位移和速率確定不變，并且設定電子速度為v=0.2 mm/min進行均勻拉伸。共計3個試驗組，記錄每組3個試件相關參數的平均值，無明顯試驗誤差，通過靜拉伸試驗，得到碳纖維復合材料的拉伸強度、彈性模量、斷裂強度和伸長率等基本力學性能(詳見表1)。

實驗參數設置：執行標準為GB/T 1040.2-2006，標距為35 mm，夾具間初始距離30 mm，優選厚度1.5 mm，窄部分寬度2.1 mm，拉伸實驗結果數據如圖2所示。

圖2 試件拉伸數據圖

表1 材料力學性能參數

2 階段性疲勞加載試驗

材料在徹底斷裂失效之前，會表現出不同的損傷程度。對于之前靜態拉伸試驗中獲得的強度極限和塑性變形指數，使用MTS疲勞試驗裝置(圖3)將樣品分成不同組，進行階段疲勞周期試驗，獲取的樣品具有不同階段的損傷特征，之后進行損傷分析。基于不同階段的損傷程度來確定表征損傷程度的適當參數，并分析其變化趨勢以評估疲勞時間。

圖3 MTS疲勞測試機

試驗中選擇與靜態拉伸模型一致的材料和樣品模型。將不同疲勞損傷加載試驗的試件進行 CT 掃描，碳纖維拉伸試件厚度分別為0.3 mm和0.45 mm，疲勞周期試驗結果試樣如圖4所示。在同一閾值4 140.1，概率為0.1，篩選直徑在min=10 μm、max=5 000 μm時進行孔洞分析，結果見表2。

圖4 損傷試件

表2 試件孔洞分析

根據實驗結果可以看出，隨著碳纖維試件的拉伸，孔洞數量逐漸增加，且直徑也隨之增大。由表2所列數據可看出，0.45 mm試件和0.3 mm試件相互對比，0.45 mm的孔洞直徑、數量，最大體積以及表面積都有所增加，而兩種試件的直徑、體積、表面積等參數值相差較小。

3 損傷缺陷特征分析

通常，伴隨著材料微觀結構和力學性能的變化，材料和部件的損傷會發生變化。缺陷會使零件的局部應力和變形突然發生變化，導致零件局部應力或變形增大，進而導致零件內部缺陷的擴展，最終導致材料或結構的失效。因此，研究加載過程中的應力和應變分布，對于理解損傷具有重要意義。

通過研究區域破壞缺陷的幾何特征，采用對材料孔洞散布狀況的統計分析，來正確合理的解釋疲勞破壞是必要的。通過對CT掃描后的材料損傷試件的分布情況分析,得出了材料損傷區域性能退化狀況；通過孔洞數量、孔洞直徑和球度分布的變化趨勢,可表示破壞過程和損壞范圍；而通過針對損傷參數的研究,可以得出各種試件的破壞特性,并合理計算碳纖維材料的性能。孔洞數量(直徑μm和球度劃分)分布變化趨勢如圖5所示。

(a) 0.3 mm試件孔洞 (b) 0.45 mm試件孔洞

各試件應孔洞隨拉伸過程進行而增加，且當試件接近斷裂次數時，其上升速率變大，即損傷缺陷迅速增多，材料性能加速退化。宏觀角度反映出的是材料彈性模量下降，而從細觀角度來看，反映出的是材料內部的孔洞開始產生，長大，進而聯結成更大的孔洞，材料的有效承載面積變小，損傷程度不斷增大。掃描結果可視化如圖6所示。

由可視化圖中可以看出，材料的疲勞損傷從接近材料試樣表面的內部開始，在掃描區域內材料分布不一致，表明材料缺陷出現的位置并不能提前預知，因此等值試樣斷裂位置在等值中間段內也是隨機的。試樣斷裂發生的位置位于試樣中間部位，且沒有出現從邊界向中心擴展的裂紋。斷裂試樣的孔隙率也不高，說明材料缺陷分布的不一致性。由于斷裂面集中了大量缺陷，因此斷裂易在該處突發。在斷裂的前一刻，材料缺陷在試樣中心形成，但是在垂直軸線方向上并不是均勻分布的，說明斷裂最可能發生在集中大量缺陷的某截面處。通過上述孔洞分布可得，孔洞在直徑小于500 μm和球度大于0.22時分布較集中，有可能為原始打印形成，可以簡化舍去。只保留直徑在500 μm以上的孔洞數據，見表3。

(a) 0.3 mm試件可視化 (b) 0.45 mm試件可視化

表3 試件孔洞統計

對缺陷的數據統計分析中可見：通過對不同型號試模的對比試驗,發現穿孔殼體的硬度很好,而且通過小孔能夠在一定程度上增加3D打印試塊的抗拉強度和剛性。但小規格帶孔零件的破壞大多出現在孔邊殼體與密實部分之間的連接部分。孔洞雖然在一定程度上提高了材料的力學性能,但同時也大大降低了材質的牢固度。究其原因是在3D打印過程中,由于圓孔的有孔邊殼體與無孔部分堆積路徑的差異，而導致材質特性不同。孔洞出現的位置并不唯一，缺陷集中位置和數量以及大小也不同。不同型號3D打印材料在拉伸過程中，隨著孔洞的出現且不斷增大，孔洞面積孔洞數量隨疲勞呈現不穩定而增加。0.45 mm試樣孔洞直徑、數量，最大體積以及表面積都有所增加，同時橫截面的最大缺陷面積增大，更容易發生疲勞斷裂。

4 結束語

本試驗在缺陷檢測實驗的基礎上，對車用3D打印碳纖維材料的疲勞缺陷進行了研究。通過實驗得到以下結論：

(1)利用3D打印技術，制備符合國家標準的材料試件，通過靜力學試驗獲得了抗拉強度、屈服極限、彈性模量和斷面收縮率等碳纖維材料的基本力學參量，為疲勞循環加載試驗提供了可靠的參數。

(2)通過XCT掃描，對三維打印樣品的缺陷進行了測試，得到檢測階段內部橫截面圖像。在分析缺陷尺寸和位置的基礎上，對碳纖維復合材料的疲勞缺陷進行了研究。

(3)研究發現，隨著碳纖維試樣的拉伸，孔洞的數量和直徑逐漸增加。0.45 mm試樣和0.3 mm試樣相比，0.45 mm孔的直徑、數量、最大體積和表面積都有所增加，該試樣整體變形較大，因此優先發生斷裂。經比較，3個參數的平均值差異較小。