摘要：增材制造（AM）材料和零件的力學(xué)性能測試對于確保其結(jié)構(gòu)完整性和功能性至關(guān)重要。國外目前ASTM和ISO兩大標(biāo)準(zhǔn)組織已制定了一系列適用于傳統(tǒng)材料和復(fù)合材料的測試標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)在增材制造領(lǐng)域的適用性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。由于增材制造工藝的特殊性（如層間結(jié)合、各向異性、內(nèi)部缺陷等），直接沿用傳統(tǒng)測試方法可能無法準(zhǔn)確表征其力學(xué)行為。

關(guān)鍵詞：增材制造、力學(xué)性能、標(biāo)準(zhǔn)、各向異性

目前國際上有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織致力于增材制造領(lǐng)域的研究。ASTM委員會(huì)F42負(fù)責(zé)增材制造技術(shù)領(lǐng)域，其下屬的F42.05分委會(huì)專門處理材料和工藝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。ISO的TC 261技術(shù)委員會(huì)則負(fù)責(zé)制定增材制造領(lǐng)域的國際標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)組織目前都通過引用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)來處理增材制造材料和零件的力學(xué)性能測試問題。以下分析闡述了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)在聚合物增材制造材料和零件力學(xué)測試中的適用性。

一、拉伸測試

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要針對塑料（ASTM D638，ISO 527-2）和復(fù)合材料（ASTM D3039，ISO 527-4）。這些標(biāo)準(zhǔn)采用啞鈴型或帶端部加強(qiáng)片的試樣，其幾何形狀基于樣品厚度或復(fù)合材料類型。拉伸測試可獲取楊氏模量、泊松比、屈服應(yīng)力、強(qiáng)度及斷裂伸長率等參數(shù)。復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)涉及纖維取向問題，但這些標(biāo)準(zhǔn)對增材制造材料的適用性尚未在文獻(xiàn)中得到充分闡述。Ahn研究發(fā)現(xiàn)ASTM D638 I型試樣幾何形狀會(huì)導(dǎo)致試樣過早失效，這種早期失效是由啞鈴型試樣標(biāo)距附近半徑區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中所致。該區(qū)域包含纖維末端，從而引起過度剪切。研究者改用ASTM D3039試樣幾何形狀以解決該問題，但這是文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的唯一相關(guān)案例。ISO 458（未在本文討論范圍內(nèi)）規(guī)定了材料在扭轉(zhuǎn)作用下的剛度測試標(biāo)準(zhǔn)。

二、彎曲測試

ASTM D790與ISO 178是等效標(biāo)準(zhǔn)，采用三點(diǎn)彎曲法測量5%應(yīng)變極限內(nèi)的彎曲模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲應(yīng)力及斷裂應(yīng)變。若無法滿足應(yīng)變極限要求，則采用四點(diǎn)法的ASTM D6272以提高獲取失效測量結(jié)果的可能性。該測試可降低三點(diǎn)測試中與中心滾軸相關(guān)的應(yīng)力集中。這些標(biāo)準(zhǔn)適用于未增強(qiáng)和增強(qiáng)材料。對于含有高模量纖維的復(fù)合材料，應(yīng)使用ASTM D7264進(jìn)行測試。但標(biāo)準(zhǔn)未涉及可能具有各向異性特性的增材制造材料所面臨的特殊挑戰(zhàn)。

三、壓縮測試

適用于壓縮測量的標(biāo)準(zhǔn)包括ASTM D695和ISO 604。ASTM D3410與ISO 14126專門針對纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的面內(nèi)壓縮性能測試。這些標(biāo)準(zhǔn)可測量壓縮模量、壓縮屈服應(yīng)力、失效壓縮強(qiáng)度及失效壓縮應(yīng)變，并對試樣的直徑和高度有幾何尺寸限制。

四、剪切測試

現(xiàn)有多種測量材料剪切模量和強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)（ISO 14129、ISO 14130、ASTM D2344和ASTM D3518）并不直接適用于增材制造。這些方法專為特定取向的高強(qiáng)度纖維或織物增強(qiáng)聚合物而開發(fā)，要求確定定向纖維間的特定層間失效模式，而這類試樣通常無法通過增材制造獲得。ASTM D7078和ASTM D3846是兩個(gè)用于測量剪切性能的缺口試樣標(biāo)準(zhǔn)，采用特定缺口幾何形狀和纖維增強(qiáng)定向排列的試樣。這些測試方法可能因兩個(gè)原因不直接適用于增材制造材料：首先，增材制造零件不具備纖維復(fù)合材料在不同方向上表現(xiàn)出的高模量比和失效強(qiáng)度比，因此載荷分布和裂紋擴(kuò)展機(jī)制存在差異；其次，復(fù)合材料層壓板可在纖維層間基體中制造尖銳的初始裂紋以提高測試精度，而當(dāng)前增材制造的熱處理工藝難以實(shí)現(xiàn)這種明確定義的尖銳初始裂紋，從而影響失效行為表征。雖然存在引入尖銳裂紋的方法（如金屬采用的疲勞法），但該方法不適用于聚合物材料，而使用剃須刀等銳邊工具也可能無法在增材制造零件中產(chǎn)生合適裂紋。

目前僅有兩個(gè)直接適用于增材制造的剪切標(biāo)準(zhǔn)：ASTM D4255和ISO 15310，分別用于測定塑料和纖維增強(qiáng)材料的剪切模量。這些標(biāo)準(zhǔn)允許測試各向同性材料，但未提供針對增材制造材料的測試指導(dǎo)。

五、蠕變測試

蠕變測量標(biāo)準(zhǔn)提供了在不同暴露環(huán)境（如溫度、水溶液或表面活性劑溶液）下測量樣品尺寸變化的方法。測試載荷環(huán)境包括拉伸、壓縮、彎曲和溶液浸泡等多種形式。ASTM D2990-09引用ASTM D543《塑料耐化學(xué)試劑性能評估規(guī)范》來規(guī)定環(huán)境條件下的溶液成分，對應(yīng)ISO標(biāo)準(zhǔn)為ISO 899。標(biāo)準(zhǔn)對試樣長徑比有嚴(yán)格要求，建議在材料使用范圍內(nèi)至少選擇兩個(gè)不同測試溫度以評估溫度影響。通過七個(gè)應(yīng)力水平下長達(dá)3000小時(shí)的蠕變斷裂測試可獲得長期性能數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)用蠕變數(shù)據(jù)通過使材料在1000小時(shí)內(nèi)產(chǎn)生1%應(yīng)變的多個(gè)應(yīng)力水平測試獲得，但標(biāo)準(zhǔn)未提供針對各向異性樣品（如纖維復(fù)合材料）的指導(dǎo)。

六、疲勞測試

ASTM D7774是單軸加載疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)（無對應(yīng)ISO標(biāo)準(zhǔn)），測試頻率范圍為1-25Hz（推薦低于5Hz以避免樣品發(fā)熱）。該方法可建立應(yīng)力/應(yīng)變-循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線，以試樣失效或達(dá)到10^7次循環(huán)作為疲勞極限。選擇10^7次循環(huán)是為控制測試時(shí)長，但具體應(yīng)用可能需要調(diào)整。通過R比值（最小與最大應(yīng)力/應(yīng)變比）定義載荷范圍，測試在材料彈性極限內(nèi)進(jìn)行，可施加拉伸或壓縮載荷。

ASTM D7791與ISO 13003是塑料彎曲疲勞測試方法，兩者技術(shù)細(xì)節(jié)存在差異：ASTM采用正負(fù)雙向循環(huán)的三點(diǎn)或四點(diǎn)加載，R比為-1且不超過比例極限；ISO通過計(jì)算極限拉伸/彎曲強(qiáng)度確定加載速率，以試樣剛度降低20%作為終止條件。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均未涉及增材制造工藝導(dǎo)致的材料各向異性問題。

ISO 15850和ASTM D6115涉及疲勞分層/裂紋擴(kuò)展測試，專門測量纖維復(fù)合材料層間斷裂能。與其他復(fù)合材料專用標(biāo)準(zhǔn)類似，尚不確定增材制造材料是否符合這些標(biāo)準(zhǔn)基于的斷裂力學(xué)假設(shè)。

七、斷裂韌性測試

斷裂韌性測試用于測定材料或復(fù)合材料中預(yù)裂紋擴(kuò)展所需能量，其值可用于零件設(shè)計(jì)和材料開發(fā)。這些標(biāo)準(zhǔn)通常要求在材料中預(yù)制尖銳裂紋，通過監(jiān)測載荷、位移和裂紋擴(kuò)展情況，采用線彈性斷裂力學(xué)分析計(jì)算斷裂能（GiC）和斷裂韌性（KiC）（下標(biāo)i表示I、II或III型載荷，見圖6）。復(fù)合材料測試用于確定含高模量纖維/織物的層間斷裂韌性，聚合物測試則提供工程設(shè)計(jì)用材料參數(shù)。由于需要在材料中預(yù)制尖銳裂紋，而增材制造工藝存在尺寸限制，這可能帶來實(shí)施難題。

ISO 15024和ASTM D5528專為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料設(shè)計(jì)，用于生成抗裂紋擴(kuò)展曲線（R曲線）評估抗分層性能，因增材制造缺乏連續(xù)纖維而不直接適用。ISO 29221通過緊湊拉伸試樣測量平面應(yīng)變止裂韌性，要求預(yù)制尖銳裂紋和限制裂紋擴(kuò)展路徑的溝槽，但增材制造的尺寸精度和建造方向?qū)α鸭y擴(kuò)展的影響尚不明確。ISO 13586適用于剛性/半剛性熱塑性塑料和非連續(xù)纖維復(fù)合材料，其修正案ISO 13586提供了注塑復(fù)合材料縱向/橫向測試指引，這或可作為評估該標(biāo)準(zhǔn)增材制造適用性的起點(diǎn)。ASTM D6068通過J-R曲線研究塑料材料裂紋擴(kuò)展內(nèi)聚力模型參數(shù)，需對透明熱塑性塑料粉床熔融或光敏樹脂材料噴射成型的試樣進(jìn)行裂紋加工。

八、沖擊測試

ISO 179與ASTM D6110規(guī)定夏比沖擊試驗(yàn)方法，ISO 180與ASTM D256規(guī)定伊佐德沖擊試驗(yàn)方法。雖然許多增材制造聚合物數(shù)據(jù)表提及沖擊測試，但未說明材料制備和取向細(xì)節(jié)。兩種測試的主要區(qū)別在于試樣擺放位置和缺口方向：伊佐德試驗(yàn)試樣垂直放置且缺口面向沖擊錘，夏比試驗(yàn)試樣水平放置且缺口背向沖擊錘（缺口可為V型或U型）。與斷裂韌性測試類似，目前不確定缺口應(yīng)直接成型于增材制造零件還是后續(xù)機(jī)加工形成。

九、支承強(qiáng)度與開孔壓縮測試

這些測試評估復(fù)合材料螺栓連接功能強(qiáng)度，并可研究損傷區(qū)域?qū)π阅艿挠绊?。具體標(biāo)準(zhǔn)包括ASTM D953-10、ASTM D5961、ASTM D6484以及ISO 12815、ISO 12817。雖然目前增材制造領(lǐng)域文獻(xiàn)中未見對此類標(biāo)準(zhǔn)的需求，但隨著增材制造零件（如人體植入物）與其他結(jié)構(gòu)的集成應(yīng)用，業(yè)界需了解零件設(shè)計(jì)對承載能力的影響及長期變形行為?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)可直接適用，但需補(bǔ)充關(guān)于材料各向異性的說明。

總結(jié)

總體而言，現(xiàn)有力學(xué)測試標(biāo)準(zhǔn)為增材制造材料和零件的性能評估提供了基礎(chǔ)框架，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需考慮增材制造工藝帶來的獨(dú)特挑戰(zhàn)，如各向異性、內(nèi)部孔隙、層間結(jié)合強(qiáng)度等。部分標(biāo)準(zhǔn)（如剪切、斷裂韌性測試）因依賴特定試樣制備方法（如預(yù)制尖銳裂紋）或纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，可能無法直接適用于增材制造材料。未來需針對增材制造工藝特點(diǎn)，開發(fā)或修訂測試標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)關(guān)注試樣制備方法、加載方向與建造方向的關(guān)系，以及微觀結(jié)構(gòu)對力學(xué)行為的影響。此外，隨著增材制造在多領(lǐng)域（如航空航天、生物醫(yī)療）的深入應(yīng)用，功能化測試（如動(dòng)態(tài)載荷、環(huán)境老化）標(biāo)準(zhǔn)的完善也將成為重要研究方向。

參考資料：

1. Aaron M. Forster，Materials Testing Standards for Additive Manufacturing of Polymer Materials: State of the Art and Standards Applicability