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增材制造航空航天零件：为何断裂测试至关重要

Additively manufactured component properties can vary significantly from traditional parts, especially in their ductility.

作者： Rebecca Reiff-Musgrove

航空航天组件很少因简单的过载而失效。相反，裂纹始于微小缺陷，并在服役载荷下扩展，直到发生断裂。随着金属增材制造 (AM) 继续从开发阶段转向飞行关键型航空航天应用，了解增材制造材料在存在缺陷时的行为对于安全采用至关重要。

金属增材制造引入了强烈影响断裂韧性的特性：

即使静态强度与锻造材料相当，断裂韧性也可能较低或具有高度方向性。断裂韧性和裂纹扩展测试提供了量化损伤容限和定义安全操作限制所需的数据。

Build orientation of additively manufactured materials can affect fracture toughness.

增材制造材料的断裂测试面临多项挑战。由于材料成本和有限的构建体积，试样通常尺寸偏小。抗裂性可能随取向发生显著变化，这使得对中和载荷控制变得至关重要。此外，受缺陷尺寸、位置和形态多变性的驱动，3D 打印材料通常表现出更大的数据离散性。

在使用新型制造方法时，按照严格的国际标准进行测试也可能具有挑战性。铝合金和钛合金等高刚度、相对“脆性”的材料在增材制造中可能会表现出线性弹性行为略有下降，这可能会挑战传统 ASTM E399 断裂韧性评估的有效性。考虑到小型试样经常突破尺寸要求的界限，这一问题变得更加复杂。

相反，与传统制造的同类材料相比，高强度钢合金等材料可能表现出较低的延展性。这种降低在基础关键裂纹尖端开口位移 (CTOD) 测试（如 ISO 12135）中可能是有害的，尽管其在评估裂纹萌生或撕裂阻力的方法（如通常使用 ASTM E1820 的 JIc 测量）中的影响尚不明确。

疲劳裂纹扩展是另一个重要的关注领域，但其评估本身更为复杂。相对于传统生产材料的差异可能更加明显，且结果始终对制造过程中引入的残余应力敏感。

这些因素要求断裂测试系统具有出色的力和位移分辨率、精确的对中控制以及高重复性，以确保测得的行为反映的是材料本身，而非测试装置。

Sub-size components are highly reliant on alignment to ensure test data is accurate.

英斯特朗 (Instron^®) 在支持航空航天应用的断裂和损伤容限测试方面拥有数十年的经验。我们的测试系统结合 Bluehill^® Fracture 软件，旨在满足从早期材料筛选到认证驱动计划的断裂力学测试在精度、稳定性和数据分析方面的要求。

英斯特朗系统使航空航天工程师能够：

Test validity checking aligned with regulatory requirements is possible in Instron’s Bluehill Fracture software.

增材制造为航空航天提供了显著优势，但断裂行为仍然是一个关键挑战。通过将精心设计的断裂测试与精确、可重复的测试系统相结合，航空航天机构可以放心地鉴定增材制造组件以用于安全关键用途。借助英斯特朗，工程师可以获得值得信赖的断裂数据，将创新设计从构建平台推向飞行。

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