3D打印复合结构等类似的非均质结构断裂性能相关研究

3D打印复合结构等类似的非均质结构，基于BEM对结构的断裂性能进行评估时，对峰值载荷Pmax对应的扩展裂纹长度afic的测量是很重要的。

因肉眼不能观测到内部结构的实际断裂情况，很难获得精确的虚拟裂纹长度数值，只能通过测量表面实际观测的裂纹长度来近似。对各种尺寸类型的试件的afic分别测量，之后进一步得出试件的结构特征参数Cch，将其与试件的几何尺寸值与峰值载荷Pmax值带入BEM中，计算3D打印试件的拉伸强度ft和断裂韧性KIC。

PLA材料单边缺口三点弯曲试件特性

对于由PLA材料制备的各个单边缺口三点弯曲试件：
因丝材结合面的质量及力学性能与孔隙率等相关，所以各个试件的微观结构在本质上均是随机的，各不相同。试验完成后，观察发现各个试件即使在同种承载模式下，形成的裂尖损失区都很随机，差异明显，各个试件裂尖损伤区的孔隙率也不一致。通常表现为试件的几何尺寸越大，裂尖损失区越大，对应的扩展裂纹长度afic也就越长。
对于同种尺寸类型的各个试件，即使是对于同一试件，在三点弯曲试验过程中，试件两侧的裂尖损失区的形状、长度及损伤区孔隙率也随机分布，均不相同，有较为明显的差异。

裂纹扩展长度测量方法

对3D打印试件表面的裂纹扩展长度进行测量时，发现在试验过程中裂纹尖端存在开裂现象，裂尖形状和角度均发生了变化，试验结束后难以确认试件最初的裂纹尖端位置，无法对试件的裂纹扩展长度直接进行测量。
所以对于每个试件的裂纹扩展长度的测量采用间接测量法，测量的工具选择精度为0.01mm的游标卡尺。就以试件表面观测到的裂纹终止点作为最终的裂纹终止点，对试件两侧裂纹终止点分别做标记，分别测量试件底部到裂纹终止点的距离作为完整的裂纹深度。
试件的裂尖损失区较大，所以在实际测量过程中产生的测量误差以及试件内部的裂纹终止点与表面观测到的最终的裂纹终止点的误差对于最终计算拉伸强度产生的误差很小，可以忽略不计。

3D打印试件断裂阶段

3D打印试件的断裂属于准脆性断裂，在试验过程中，一共包括三个阶段：

• 线性阶段：当施加在试件上方的载荷逐渐增大，上方压头向下的位移逐渐增加时，载荷 - 位移曲线显现的是线性段。此时在试件表面肉眼观测不到裂纹，试件内部的丝材受到载荷作用不断被拉长，变形增加。
• 软化阶段：随着载荷不断增加，压头继续向下压，试件的断裂都是从裂尖位置开始，随着载荷增大一步步打开变钝，裂纹尖端角不断张开，角度增大，相邻层结构界面出现脱粘，同层的丝材随着载荷不断增大沿着横向产生变形发生层间断裂进一步延伸至跨层断裂。在跨中位置沿着裂纹尖端上方开始出现微裂纹，裂纹在与施力方向相反的方向向上开始不断增长，此时载荷 - 位移曲线显现的是非线性段，试件上方开始出现局部塑性变形。
• 失效阶段：随着载荷不断增加，裂纹扩张进一步扩大沿着45°/135°的方向形成裂纹多扭结现象。当施加的荷载达到峰值载荷Pmax后荷载逐渐下降，裂纹继续增长。对所有的试件，当施加的荷载下降了Pmax的2%时对试件卸载停机。

3D打印试件断裂模式

3D打印试件具有三种不同的断裂模式：裂纹首先经历层间断裂，此时裂纹主要在相邻的打印层之间扩展，受层间结合强度影响显著；之后是跨层断裂，裂纹突破层间限制，向其他层扩展，涉及更广泛的材料区域；最终形成裂纹多扭结的路径，裂纹在扩展过程中不断改变方向，形成复杂的扭结形态，这种断裂模式综合反映了3D打印材料在不同方向和层次上的力学性能差异以及裂纹扩展的动态特性。

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