通過對界面的合理幾何設計，縫合結構可具有遠超組分材料的斷裂性能。現(xiàn)有研究表明，具有互鎖界面的縫合結構展現(xiàn)出優(yōu)異的斷裂韌性。AlSi10Mg具有良好的導熱性、耐腐蝕性等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天領域。來自北京理工大學的廖海濤團隊開展AlSi10Mg緊湊拉伸試樣的斷裂實驗和數(shù)值模擬，研究互鎖界面的幾何參數(shù)對互鎖結構斷裂性能的影響。
本文利用激光熔融方法制備了三種不同互鎖幾何參數(shù)的緊湊拉伸試樣（圖1），并對互鎖界面進行拋光處理和幾何拼接，以減小表面粗糙度對斷裂性能的影響。互鎖幾何參數(shù)間遵循圖2的設計關系。 圖3表明，隨著互鎖角度的減小，數(shù)值模擬數(shù)據與實驗數(shù)據的差異性越大。這可能是由于互鎖齒根部的局部失效影響逐漸顯著（圖4）。DIC結果顯示，隨著互鎖角度減小，結構在互鎖齒根部產生較大應變，并向內部擴展（圖5）。在此過程中，互鎖齒產生損傷，消耗了更多的能量，提高了結構的斷裂強度。 本文采用裂尖張開位移來表征互鎖結構的斷裂性能。控制互鎖角度和齒高不變，互鎖齒的寬度越小，承載能力越低，結構越易發(fā)生斷裂（圖6），而互鎖齒寬度越大，齒數(shù)明顯減少，界面處的相互作用減弱，結構的斷裂性能降低。控制互鎖角度和齒寬不變，互鎖齒的高度越大，結構的互鎖程度越大，界面處的相互作用增強，但互鎖齒根部承載能力無法匹配結構的承載能力，從而無法顯著提升結構的斷裂性能（圖7）。 本文研究了互鎖結構的互鎖角度、齒高、齒寬對結構斷裂性能的影響，結果表明，隨著互鎖角度的減小，互鎖結構的失效形式從互鎖齒的斷裂轉變?yōu)榻缑嫣幍哪Σ粒X高和齒寬在一定范圍時能顯著提高結構的斷裂性能。后續(xù)可將本文所研究的反梯形互鎖結構擴展至梯形、三角形等互鎖結構。
圖3 CT試樣力-位移曲線的實驗與數(shù)值模擬結果對比
圖4 CT試樣斷裂情況的實驗與數(shù)值模擬結果對比
文章以“Bio-inspired, metal additive manufacturing interlocked structures: Geometrically design and fracture performance analysis"為題，發(fā)表于Composite Structures。
