CN112881128A - 用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样及拉伸测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及增材制造的点阵结构材料的测试技术，公开了用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样及拉伸测试的方法，首先制备填充有增材制造点阵结构材料的拉伸试样，再对拉伸试样进行拉伸测试，获取至少包括最大拉脱力的测试数据，基于拉伸试样的结构参数和增材制造点阵结构的材料参数获取等效的所有点阵结构的横截面积，最后采用最大拉脱力和等效的所有点阵结构的横截面积确定增材制造点阵结构的抗拉强度。本发明通过等效计算可以确定更精确的等效截面面积，获得更加准确的拉伸测试结果，可作为评价其拉伸性能的重要依据，填补了增材制造点阵结构拉伸试验方法测试空白。

Description

用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样及拉伸测试方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样及拉伸测试方法。
背景技术
在复杂结构制造方面，增材制造技术解决了传统减材和等材工艺难加工或无法加工的局限，而且其制造成本并不随零件复杂性的增加而大幅度提高。轻量化材料就是可以用来减轻产品自重且可以提高产品综合性能的材料。材料轻量化，指的是在满足机械性能要求的前提下，通过增材制造方式采用轻量化的金属和非金属材料可以实现重量减轻。金属点阵结构具有超轻、高孔隙率、高比强、高比刚、高强韧、高能量吸收等优良力学性能，以及吸声、减震、散热、电磁屏蔽、渗透性优等特殊性能，使其兼备结构和功能的双重功用，是一种性能优良的多功能工程结构材料，在航空航天、国防军事、交通能源等各行业中均具有非常乐观的应用前景。
增材制造点阵结构材料作为一种中空新型金属结构材料，其轻量以及优良的综合性能得到了广泛的关注。增材制造点阵结构可以制造复杂构件实现减重且满足力学性能要求。增材制造点阵结构的性能评价是当前研究的重点和热点，在激光增材制造的过程中，力学性能直接影响构件后续在役时的运行安全和使用寿命，关键结构的力学性能评价对激光增材制造合金构件控形、控性具有重要意义。
增材制造点阵结构性能的测试方法包括压缩试验、拉伸试验、冲击试验、剪切试验，其中拉伸试验和压缩试验是最常用的评价增材制造点阵结构力学性能的手段。增材制造点阵结构材料为非标的材料，由于增材制造点阵结构材料本身结构和试验机的限制，现有的力学性能评价方法中的拉伸测试可操作性比较困难，包括制备样品的尺寸、拉伸过程中引伸计夹持、拉断后抗拉强度的计算等都和一般的拉伸试样不同。因此，需要一种专门适用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样及拉伸测试方法，解决增材制造点阵结构材料的力学性能评价问题。
发明内容
本发明旨在提供一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试的解决方案，解决如何科学精确实现增材制造点阵结构材料的拉伸测试的问题。
本发明提供一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试的方法，包括如下步骤：
步骤S1，制备填充有增材制造点阵结构材料的拉伸试样；
步骤S2，对拉伸试样进行拉伸测试，获取至少包括最大拉脱力的测试数据；
步骤S3，基于拉伸试样的结构参数和增材制造点阵结构的材料参数获取等效的所有点阵结构的横截面积；
步骤S4，采用最大拉脱力和等效的所有点阵结构的横截面积确定增材制造点阵结构的抗拉强度。
优选地，步骤S3中，所述获取等效的所有点阵结构的横截面积的步骤具体可包括：
步骤S31，通过增材制造点阵结构材料对应的夹芯体积与胞元体积的比值确定点阵结构材料的相对密度；
步骤S32，通过试样原始厚度、试样原始宽度、原始标距三者之积确定拉伸试样平行长度对应的外部体积，通过试样原始宽度与蒙皮厚度之积确定蒙皮横截面积；
步骤S33，采用拉伸试样平行长度对应的外部体积与点阵结构材料的相对密度作为等效的点阵结构试样填充部分的实体体积；
步骤S34，采用等效的点阵结构试样填充部分的实体体积除以原始标距的商作为等效的点阵结构试样填充部分的横截面积；
步骤S35，采用等效的点阵结构试样填充部分的横截面积与2倍的蒙皮横截面积之和作为等效的所有点阵结构的横截面积。
优选地，所述拉伸试样是带蒙皮的矩形试样，或是不带蒙皮的矩形试样。
进一步地，所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸比例试样，或是矩形拉伸非比例试样。
优选地，所述带蒙皮矩形拉伸比例试样的比例系数为5.65或11.3，试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为比例系数与原始横截面积平方根相乘之积；
所述带蒙皮矩形拉伸非比例试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为50毫米至200毫米区间的数值。
优选地，所述拉伸试样中填充的增材制造点阵结构材料的厚度应至少大于一个点阵单元的厚度。
优选地，所述测试数据包括但不限于下述任一种参数：弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度、拉伸曲线、断后长度、最大拉脱力。
本发明还提供一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样，所述拉伸试样是带蒙皮的矩形试样，该试样填充有增材制造点阵结构材料。
进一步地，所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸比例试样，所述带蒙皮矩形拉伸比例试样的比例系数为5.65或11.3，试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为比例系数与原始横截面积平方根相乘之积。
进一步地，所述带蒙皮的矩形试样也可以是矩形拉伸非比例试样，所述带蒙皮矩形拉伸非比例试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为50毫米至200毫米区间的数值。
进一步地，所述拉伸试样中填充的增材制造点阵结构材料的厚度应至少大于一个点阵单元的厚度。
应用本发明的技术方案，上述拉伸测试技术方案中，点阵结构试样尺寸，点阵结构横截面积等效计算，均与传统拉伸试验不同，拉伸结果计算也不同于传统测试方法，通过等效计算可以获得但可以更准确获得拉伸测试结果，使得对增材制造点阵结构拉伸性能进行有效的评价，促进了增材制造点阵结构产品的产业化。
首先优化了增材制造点阵结构拉伸试样尺寸设计，采用蒙皮设计可以更准确的实现拉伸测试，获取更精确的蒙皮截面面积；
建立了原始标距与平行长度之间的数值比例关系，可以优化拉伸试样的结构，并进一步优选确定了最佳的带蒙皮矩形拉伸比例试样的比例系数为5.65；
因点阵结构材料为中控结构，通过计算等效的点阵结构材料的相对密度，可以更精确获得点阵结构试样填充部分的实体体积，并进而据此确定试样填充部分的横截面积，再结合蒙皮面积最终可以更科学合理的获得所有点阵结构的横截面积，并进一步获得更加准确的拉伸测试结果，可以作为评价其拉伸性能的重要依据，填补点阵结构拉伸试验方法测试空白。
附图说明
图1示出本发明的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试的流程图；
图2示出本发明的确定等效的所有点阵结构的横截面积的流程图；
图3示出本发明的实施例中用于拉伸测试的拉伸试样的示意图。
具体实施方式
下面说明本发明的具体实施方式。
拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度、拉伸曲线、断后长度、最大拉脱力和其它拉伸性能指标。
由于点阵结构试样的特殊性，传统的拉伸试样的原始横截面积S0＝a0×b0不能代表增材制造点阵结构材料的实际测试时等价的横截面积，因此采用等效计算的方法估算确定点阵结构试样的等效的所有点阵结构的横截面积，再进一步，根据拉伸测试获得的最大拉脱力和等效的所有点阵结构的横截面积确定增材制造点阵结构的抗拉强度。
如图1所示，给出了一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试的方法，包括如下步骤：
步骤S1，制备填充有增材制造点阵结构材料的拉伸试样；
步骤S2，对拉伸试样进行拉伸测试，获取至少包括最大拉脱力的测试数据；
步骤S3，基于拉伸试样的结构参数和增材制造点阵结构的材料参数获取等效的所有点阵结构的横截面积；
步骤S4，采用最大拉脱力和等效的所有点阵结构的横截面积确定增材制造点阵结构的抗拉强度。
更具体地，如图2所示，步骤S3中，所述获取等效的所有点阵结构的横截面积的步骤具体可包括：
步骤S31，通过增材制造点阵结构材料对应的夹芯体积与胞元体积的比值确定点阵结构材料的相对密度；
步骤S32，通过试样原始厚度、试样原始宽度、原始标距三者之积确定拉伸试样平行长度对应的外部体积，通过试样原始宽度与蒙皮厚度之积确定蒙皮横截面积；
步骤S33，采用拉伸试样平行长度对应的外部体积与点阵结构材料的相对密度作为等效的点阵结构试样填充部分的实体体积；
步骤S34，采用等效的点阵结构试样填充部分的实体体积除以原始标距的商作为等效的点阵结构试样填充部分的横截面积；
步骤S35，采用等效的点阵结构试样填充部分的横截面积与2倍的蒙皮横截面积之和作为等效的所有点阵结构的横截面积。
其中，所述拉伸试样是带蒙皮的矩形试样，或是不带蒙皮的矩形试样。进一步地，所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸比例试样，或是矩形拉伸非比例试样。优选地，所述带蒙皮矩形拉伸比例试样的比例系数为5.65或11.3，试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为比例系数与原始横截面积平方根相乘之积。优选地，所述带蒙皮矩形拉伸非比例试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为50毫米至200毫米区间的数值。
优选地，所述拉伸试样中填充的增材制造点阵结构材料的厚度应至少大于一个点阵单元的厚度。
如图3所示，给出了实施例中用于拉伸测试的拉伸试样的尺寸示意图，其中：a0表示试样原始厚度，b0表示试样原始宽度，Lt表示试样总长度，L0表示原始标距，S0表示平行长度的原始横截面积，Lc表示平行长度，h表示夹持部分长度，Lu表示断后标距。
拉伸试样可以是带蒙皮的矩形试样，也可以是不带蒙皮的矩形试样。进一步地，所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸比例试样，或是矩形拉伸非比例试样。
例如表1所示，给出了矩形拉伸比例试样加工尺寸参数表。蒙皮厚度取1mm，试样采用矩形试样，试样厚度取决于点阵单元结构，应至少包含一个点阵单元。
表1矩形拉伸比例试样的尺寸示意表
Figure BDA0002932874040000061
在表1中，k表示比例系数，优先采用比例系数k＝5.65的比例试样。L0表示原始标距，S0表示平行长度的原始横截面积，Lc表示平行长度，b表示试样宽度,r表示过渡弧半径。
例如表2所示，给出了矩形拉伸非比例试样加工尺寸参数表。蒙皮厚度取值为1mm，试样采用矩形试样，试样厚度取决于点阵单元结构，应至少包含一个点阵单元。
表2矩形拉伸非比例试样的尺寸示意表
Figure BDA0002932874040000062
在表2中，L0表示原始标距，S0表示平行长度的原始横截面积，Lc表示平行长度，b表示试样宽度,r表示过渡弧半径。
由于点阵结构试样的特殊性，传统的拉伸试样的原始横截面积S0＝a0×b0不能代表拉伸试样的实际测试时的横截面积，因此需要采用等效的方法估算确定试样的等效横截面积。
(1)首先，通过增材制造点阵结构材料对应的夹芯体积与胞元体积的比值确定点阵结构材料的相对密度ρ：
相对密度
Figure BDA0002932874040000071
其中，各个参数的含义、符号及单位如表3所示。
表3用于计算相对密度ρ的参数符号和意义
Figure BDA0002932874040000072
(2)通过试样原始厚度、试样原始宽度、原始标距三者之积确定拉伸试样平行长度对应的外部体积，通过试样原始宽度与蒙皮厚度之积确定蒙皮横截面积；
其中，拉伸试样平行长度的外部体积Vs为：
Vs＝L0*b0*a0
其中，上下部分蒙皮横截面积S1为：
S1＝b0*蒙皮厚度(1mm)。
(3)采用拉伸试样平行长度对应的外部体积与点阵结构材料的相对密度作为等效的点阵结构试样填充部分的实体体积V1；
V1＝Vs*ρ
(4)采用等效的点阵结构试样填充部分的实体体积除以原始标距的商作为等效的点阵结构试样填充部分的横截面积S2：
S2＝V1/L0
(5)采用等效的点阵结构试样填充部分的横截面积与2倍的蒙皮横截面积之和作为等效的所有点阵结构的横截面积Sall：
Sall＝2*S1+S2
最后，采用最大拉脱力Fm和等效的所有点阵结构的横截面积Sall确定增材制造点阵结构的抗拉强度Rm：
Rm＝Fm/Sall
其中，Rm表示抗拉强度(单位：兆帕MPa)，Fm——表示最大拉脱力(单位：牛顿N)，Sall表示试样横截面积(单位：平方毫米mm2)。
上述拉伸测试技术方案优化了增材制造点阵结构拉伸试样尺寸设计，采用等效的方式获得所有点阵结构的横截面积，并进一步获得更加准确的拉伸测试结果，可以作为评价其拉伸性能的重要依据，填补点阵结构拉伸试验方法测试空白。由于拉伸结果计算不同于传统测试方法，点阵结构试样尺寸，点阵结构横截面积等效计算，也均与传统拉伸试验不同，但可以更准确获得拉伸测试结果，使得对增材制造点阵结构拉伸性能进行有效的评价，促进增材制造点阵结构产品的产业化。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，制备填充有增材制造点阵结构材料的拉伸试样；
步骤S2，对拉伸试样进行拉伸测试，获取至少包括最大拉脱力的测试数据；
步骤S3，基于拉伸试样的结构参数和增材制造点阵结构的材料参数获取等效的所有点阵结构的横截面积；
步骤S4，采用最大拉脱力和等效的所有点阵结构的横截面积确定增材制造点阵结构的抗拉强度。
2.如权利要求1所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，所述获取等效的所有点阵结构的横截面积的步骤S3具体包括：
步骤S31，通过增材制造点阵结构材料对应的夹芯体积与胞元体积的比值确定点阵结构材料的相对密度；
步骤S32，通过试样原始厚度、试样原始宽度、原始标距三者之积确定拉伸试样平行长度对应的外部体积，通过试样原始宽度与蒙皮厚度之积确定蒙皮横截面积；
步骤S33，采用拉伸试样平行长度对应的外部体积与点阵结构材料的相对密度作为等效的点阵结构试样填充部分的实体体积；
步骤S34，采用等效的点阵结构试样填充部分的实体体积除以原始标距的商作为等效的点阵结构试样填充部分的横截面积；
步骤S35，采用等效的点阵结构试样填充部分的横截面积与2倍的蒙皮横截面积之和作为等效的所有点阵结构的横截面积。
3.如权利要求1或2所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，所述拉伸试样是带蒙皮的矩形试样，或是不带蒙皮的矩形试样。
4.如权利要求3所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸比例试样，或是矩形拉伸非比例试样。
5.如权利要求4所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，
所述带蒙皮矩形拉伸比例试样的比例系数为5.65或11.3，试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为比例系数与原始横截面积平方根相乘之积；
所述带蒙皮矩形拉伸非比例试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为50毫米至200毫米区间的数值。
6.如权利要求1或2所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，所述拉伸试样中填充的增材制造点阵结构材料的厚度应至少大于一个点阵单元的厚度。
7.如权利要求1或2所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸测试方法，其特征在于，所述测试数据包括但不限于下述任一种参数或它们的组合：
弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度、拉伸曲线、断后长度、最大拉脱力。
8.一种用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样是带蒙皮的矩形试样，该试样填充有增材制造点阵结构材料。
9.如权利要求8所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样，其特征在于，
所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸比例试样，所述带蒙皮矩形拉伸比例试样的比例系数为5.65或11.3，试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为比例系数与原始横截面积平方根相乘之积；或者，
所述带蒙皮的矩形试样是矩形拉伸非比例试样，所述带蒙皮矩形拉伸非比例试样的平行长度大于或等于原始标距与1.5倍原始横截面积平方根相加之和，原始标距则为50毫米至200毫米区间的数值。
10.如权利要求8或9所述的用于增材制造点阵结构材料的拉伸试样，其特征在于，所述拉伸试样中填充的增材制造点阵结构材料的厚度应至少大于一个点阵单元的厚度。
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