高天胤，高怡斐,，牛 瞳

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081; 2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

3D打印成型技術(shù)由于快速性、低成本、高集成化、適用于加工復(fù)雜零件等顯著優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)得到快速發(fā)展，但是目前還存在許多不足，如精度不高、材料性能不穩(wěn)定等[1]。這就對(duì)材料性能檢測(cè)提出了更高的要求，人們希望得到與構(gòu)件受力狀態(tài)相近似的數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，以便提高設(shè)計(jì)的精確性和可靠性[2]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)3D打印制品的檢測(cè)主要集中在無(wú)損檢測(cè)和常規(guī)力學(xué)檢測(cè)兩個(gè)方面。無(wú)損檢測(cè)方面主要包括專門針對(duì)3D打印制品的檢測(cè)方法及內(nèi)部缺陷檢測(cè)等方向[3]。在常規(guī)力學(xué)檢測(cè)方面，實(shí)驗(yàn)人員將3D打印制品的拉伸試驗(yàn)[4]及疲勞試驗(yàn)[5-6]的結(jié)果與同等條件下傳統(tǒng)工業(yè)制品的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，取得了一定的成果。然而，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建立起相關(guān)的3D打印材料的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

在美國(guó)金屬材料性能發(fā)展與標(biāo)準(zhǔn)化手冊(cè)（MMPDS）[7]中，常用金屬的孔擠壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)已成為常規(guī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，被應(yīng)用于航空航天等方面。目前美國(guó)的孔擠壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E238-17a，主要針對(duì)鋁合金及鎂合金[8]。在1989年，我國(guó)航空標(biāo)準(zhǔn)中也引入了孔擠壓試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)為HB5433—89。該標(biāo)準(zhǔn)適用材料除了鋁合金與鎂合金，還包括了碳鋼[9]。唐振廷等對(duì)孔擠壓試驗(yàn)中承載銷的表面粗糙度和潤(rùn)滑劑對(duì)試驗(yàn)的影響做出了相關(guān)論述[10]。張繼祥也對(duì)孔擠壓試驗(yàn)中邊距比的影響及實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力分布做出了闡述[11]。Zhuang等將孔擠壓試驗(yàn)擴(kuò)展到復(fù)合材料領(lǐng)域并獲得了進(jìn)展[12]。在比較了國(guó)內(nèi)外相關(guān)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差異的基礎(chǔ)上，未發(fā)現(xiàn)關(guān)于鈦合金孔擠壓實(shí)驗(yàn)的相關(guān)論述。本文針對(duì)3D打印鈦合金設(shè)計(jì)孔擠壓試驗(yàn)方案，驗(yàn)證對(duì)相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行了孔擠壓試驗(yàn)的性能測(cè)定與表征。試驗(yàn)中孔擠壓試驗(yàn)采用的材料為TC4鈦合金，使用激光熔覆沉積技術(shù)（LCD）成型，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工制成相應(yīng)試樣。

1 孔擠壓試驗(yàn)概述

1.1 相關(guān)符號(hào)、術(shù)語(yǔ)及定義

孔擠壓試驗(yàn)?zāi)M了螺栓、銷釘、鉚釘與構(gòu)件結(jié)合時(shí)的受力情況，針對(duì)構(gòu)件部分承受的擠壓載荷提出的一種試驗(yàn)方法。試驗(yàn)過(guò)程中，將一根圓柱形的承載銷穿過(guò)孔擠壓試樣的銷孔，使兩者緊密配合。通過(guò)試驗(yàn)裝置對(duì)承載銷不斷加載，可以測(cè)得試樣銷孔處承受的最大載荷。孔擠壓試驗(yàn)相關(guān)術(shù)語(yǔ)及定義見(jiàn)表1。

表 1 孔擠壓試驗(yàn)相關(guān)符號(hào)、術(shù)語(yǔ)及定義

1.2 試驗(yàn)步驟

1.2.1 試樣的測(cè)量

測(cè)量試樣厚度t、銷孔直徑D和承載銷直徑D0，讀數(shù)誤差應(yīng)在測(cè)定值的0.5%以內(nèi)，精確到0.02 mm。若無(wú)相應(yīng)工具，孔邊距不能直接測(cè)量得出，可以參考測(cè)得試樣頂端到銷孔頂端的距離，該距離為e-D/2，測(cè)量精確到0.2 mm，通過(guò)計(jì)算可以求出孔邊距e和邊距比δ。

1.2.2 試樣的清理

在適當(dāng)濃度的丙酮溶液中超聲清洗5～10 min，晾干即可，試驗(yàn)過(guò)程中保持這種潔凈狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中需要戴手套。

1.2.3 試樣的裝夾

將承載框與試驗(yàn)機(jī)橫梁連接，安裝承載銷與試樣。試樣夾緊后，對(duì)承載銷施加一個(gè)不超過(guò)最大載荷5%的預(yù)緊力，一般在300～1 000 N之間即可。調(diào)節(jié)試樣到承載框夾縫的中心位置，使試樣不與承載框接觸。預(yù)緊力加載完畢，安裝活塞筒和針狀活塞，安裝軸向引伸計(jì)。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖 1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2.4 試驗(yàn)速率

試驗(yàn)中加載模式為橫梁位移速率控制模式，橫梁位移速率為0.7 mm/min。試驗(yàn)過(guò)程中橫梁位移速率保持不變，直至試樣斷裂。

1.2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)結(jié)束后，可以得到一條完整的載荷-變形曲線。以載荷-變形曲線最初直線段的斜率為準(zhǔn)，以橫軸偏置2%承載銷直徑D0的數(shù)值做一條平行直線與原曲線相交，通過(guò)計(jì)算可以求得孔擠壓屈服力Fbry，如圖2所示。孔擠壓強(qiáng)度σbru及孔擠壓屈服強(qiáng)度σbry的計(jì)算式見(jiàn)表1。

圖 2 載荷-變形曲線

2 試樣相關(guān)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

2.1 孔徑D及孔邊距e對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

由于孔徑D的變化，在相同邊距比的情況下會(huì)導(dǎo)致孔邊距e的變化，下面針對(duì)相同邊距比不同孔徑和相同孔邊距不同孔徑兩種情況進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。本組試驗(yàn)用試樣設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖3～圖5。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表 2 不同孔徑下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖 3 b-1組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 4 b-2組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 5 b-3組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

將b-1組、b-2組、b-3組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣邊距比不變時(shí)，孔徑發(fā)生變化，對(duì)于孔擠壓強(qiáng)度和孔擠壓屈服強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響，但是其對(duì)應(yīng)的力值卻發(fā)生了變化；若孔邊距不變，僅孔徑發(fā)生變化，孔擠壓強(qiáng)度和孔擠壓屈服強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，其對(duì)應(yīng)的孔擠壓最大力和孔擠壓屈服力的數(shù)值接近。通過(guò)b-1組，b-3組對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，孔徑不變，邊距比發(fā)生變化，無(wú)論是孔擠壓強(qiáng)度還是孔擠壓屈服強(qiáng)度都隨著邊距比的增大有明顯的增大。將這3組試驗(yàn)的載荷-變形曲線合并在一起，如圖6所示?？梢钥闯觯?dāng)邊距比相同時(shí)不同孔徑的試樣的試驗(yàn)曲線是不同的，而孔邊距一樣的試樣曲線幾乎是重合的。所以可得出結(jié)論，本組試驗(yàn)中對(duì)最大載荷影響最大的試驗(yàn)參數(shù)并不是孔徑，而是孔邊距。

圖 6 載荷-變形曲線對(duì)比圖

2.2 厚度t對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

板厚對(duì)于試驗(yàn)的影響主要體現(xiàn)在試驗(yàn)的穩(wěn)定性上。試驗(yàn)中失穩(wěn)現(xiàn)象是難以避免的，夾持歪斜，同軸度不合格等狀況都會(huì)造成試驗(yàn)失穩(wěn)。增加板厚會(huì)有效地彌補(bǔ)試驗(yàn)過(guò)程中的不足之處，從而完成試驗(yàn)。本組試驗(yàn)用試樣設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖7～圖9。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表 3 不同厚度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖 7 b-4組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 8 b-5組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 9 b-7組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，板厚僅對(duì)孔擠壓最大載荷和孔擠壓屈服載荷有影響，對(duì)孔擠壓屈服強(qiáng)度和孔擠壓強(qiáng)度影響不大。

對(duì)比表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)最大載荷與板厚是有一定的關(guān)系的，在數(shù)據(jù)對(duì)比圖10中這種關(guān)聯(lián)更加明顯，3組數(shù)據(jù)擬合成一條直線，其表達(dá)式為y=10.88x-0.884，線性相關(guān)系數(shù)r2為0.983 7，可以看出最大載荷與板厚之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。但是在2.1章中，最大載荷與孔邊距也是有關(guān)系的，這說(shuō)明最大載荷并不是由單一參數(shù)控制的物理量。

圖 10 最大載荷-板厚數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.3 邊距比δ對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證不同的邊距比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)造成的影響。本組試驗(yàn)采用了4種不同的邊距比的試樣，本組試驗(yàn)用試樣設(shè)計(jì)圖，見(jiàn)圖11～圖14，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出，隨著邊距比的增大，無(wú)論是孔擠壓強(qiáng)度還是孔擠壓最大載荷都有明顯的增大。由2.1章和2.2章的兩組對(duì)比試驗(yàn)得知，相同的邊距比的孔擠壓強(qiáng)度是相同的，而最大載荷與板厚呈線性關(guān)系。結(jié)合本章數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，邊距比與孔擠壓強(qiáng)度是存在一定關(guān)系的。如圖15所示，由數(shù)據(jù)對(duì)比圖可以看出，邊距比與孔擠壓強(qiáng)度基本上呈線性關(guān)系，擬合成直線可得到下式：

圖 11 b-6組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 12 b-7組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 13 b-8組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 14 b-9組試樣設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖 15 孔擠壓強(qiáng)度-邊距比數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表 4 不同邊距比下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

其中A，B為常數(shù)，可求出A=817.97，B=254.73，線性相關(guān)系數(shù)r2為0.988 4。又有：

可令D=D0，將式（2）～式（4）代入式（1）整理可得

除了常數(shù)A、B，式(5)的4個(gè)參數(shù)均為試驗(yàn)測(cè)量所得。這個(gè)公式與以上3組對(duì)照試驗(yàn)的結(jié)果吻合。通過(guò)這個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以明確地看出幾個(gè)參數(shù)對(duì)孔擠壓試驗(yàn)結(jié)果的影響，同時(shí)也符合上面兩章節(jié)中提到的最大載荷與孔邊距和板厚的關(guān)系式。由于式(5)是建立在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，所以對(duì)于同一批次的3D打印鈦合金TC4都是適用的。通過(guò)這個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式，在明確其中3個(gè)參數(shù)的情況下，不需要實(shí)驗(yàn)，就可以估算出剩余參數(shù)的情況。

3 失效模式

TC4孔擠壓試驗(yàn)中，常見(jiàn)的3種失效模式如圖16所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)最多的是雙邊型的裂紋，其次為單邊型裂紋，撕裂裂紋的情況是最少的。一般來(lái)說(shuō)，無(wú)論出現(xiàn)哪種裂紋情況，都不會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。

圖 16 3種失效模式

1）單邊裂紋：試樣裂紋只有一側(cè)，但是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有任何影響。經(jīng)分析，造成這種狀況的原因主要有：試樣薄厚不均；加持不正導(dǎo)致應(yīng)力偏移；試樣內(nèi)部缺陷。

2）雙邊裂紋：試樣裂紋在孔兩邊并軸向延伸，這種情況是試驗(yàn)時(shí)遇到最多的，試樣呈剪切狀撕裂。但是經(jīng)常出現(xiàn)的狀況是兩條裂紋均向某方向歪斜，而不是向單邊趨向那樣只有一條斜向的裂紋。隨著板厚的增加，大多數(shù)試樣試驗(yàn)結(jié)果都會(huì)呈現(xiàn)雙邊裂紋，只有在板厚比較薄的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)單邊和撕裂的裂紋形式。

3）撕裂裂紋：個(gè)別試樣會(huì)出現(xiàn)這種失效模式，試樣上端在力的作用下未完全剪斷，由中間頂端開(kāi)裂對(duì)試樣造成破壞，兩邊的裂紋并未延伸至試樣頂端。這種試驗(yàn)結(jié)果不會(huì)影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際上裂紋的真正形成是在載荷已經(jīng)過(guò)了最大值之后，斷裂是瞬間形成的，所以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)沒(méi)有影響。這種情況多出現(xiàn)在大孔徑或邊距比比較小的試驗(yàn)中，頂端有缺陷也會(huì)造成這種試驗(yàn)情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3D打印鈦合金TC4孔擠壓試驗(yàn)的研究分析可以得出以下結(jié)論：1）相同邊距比，不同孔徑的情況下，孔擠壓強(qiáng)度不變；相同孔邊距，不同孔徑的情況下，孔擠壓最大載荷不變；2）試樣厚度與孔擠壓最大載荷呈線性關(guān)系；3）邊距比與孔擠壓強(qiáng)度呈線性關(guān)系；4）通過(guò)試驗(yàn)，確定了3D打印鈦合金TC4孔擠壓試驗(yàn)的參數(shù)方程，可通過(guò)該方程對(duì)實(shí)際問(wèn)題做出預(yù)測(cè)；5）給出了孔擠壓試驗(yàn)的3種失效模式，并對(duì)各種失效模式進(jìn)行了原因分析。