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背景简介

近年来，增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术因其在复杂三维结构制造中的独特优势，受到航空航天、汽车和生物医学等领域的广泛关注。其中，AlSi10Mg 合金点阵结构因其优异的强度重量比、抗断裂性能和热学特性，成为轻量化结构设计的重要选择。然而，当前的研究主要集中于点阵结构的静态力学性能，而在动态加载条件下的断裂机制仍未得到充分探索。传统断裂力学理论认为，裂纹通常起始于应力集中区域（如缺口尖端），但对于增材制造的低延性金属点阵结构，其真实的断裂机制可能有所不同。此外，目前有限元分析（Finite Elemental Anlysis, FEA）在预测增材制造点阵结构的动态断裂行为方面仍存在挑战，缺乏合适的失效准则。因此，有必要开展系统性的试验研究，以揭示该类结构在静态（模式Ⅰ）和动态（模式Ⅱ）加载条件下的断裂模式（图1），并为数值模拟提供有效的参数支持。

图1 不同模式加载条件下的断裂行为

成果介绍

（1）AlSi10Mg 点阵结构的准静态断裂试验表现出独特的裂纹演化机制。试验结果表明，如图2a和b所示裂纹并非从缺口尖端萌生，而是沿加载方向支杆的拉伸断裂逐步形成微裂纹，最终通过微裂纹的串联扩展为宏观裂纹。高分辨率影像分析显示，裂纹路径与支杆排列方向密切相关，表明点阵几何构型对断裂模式具有显著影响。对比不同点阵类型发现，对角拉伸结构（stretching-dominated）的大尺寸点阵表现出更高的断裂力（图2c），而菱形弯曲结构（bending-dominated）的小尺寸点阵强度更优（图2d），验证了点阵类型对断裂抗力的差异化调控作用。

图2 (a) 大型对角线弯曲试样的准静态断裂序列；(b) 完全Ⅰ型断裂；（c）对角线构型的准静态结果；（d）菱形构型的准静态结果

（2）在动态加载条件下，模式Ⅱ断裂过程中局部温度显著升高，远超模式Ⅰ，最高可达 100°C 以上（图3c和d），而模式Ⅰ的温升仅约 20℃（图3a和b）。高温区主要分布在裂纹扩展路径附近，表明该区域可能存在较大的塑性耗能或摩擦热。进一步对比不同点阵结构发现，对角拉伸型点阵的温升更明显，这可能与其较大的应变能存储和释放机制有关。

图3 热辐射热成像（从23℃室温开始）：(a) 模式 Ⅰ 初始断裂期间失效部位的局部温度升高；(b) 模式 Ⅰ 完全断裂时失效部位的局部温度升高；(c) 模式 Ⅱ 初始断裂期间失效部位的局部温度升高；(d) 模式 Ⅱ 完全断裂期间失效部位的局部温度升高

（3）图4显示了有限元计算结果，进一步验证了试验观察结果。数值模拟结果表明，在加载过程中，裂纹萌生位置与试验测得的微裂纹形成区域高度吻合，误差小于 5%。应力分布分析显示，在裂纹形成前，支杆的局部应变达到0.033，即试验测得的失效应变值。进一步的模拟研究发现，采用最大正拉应变失效准则可有效预测裂纹路径，与试验结果吻合度较高。此外，FEA 计算还表明，在不同点阵单元尺寸下，裂纹扩展速率存在明显差异，这一发现为优化增材制造点阵结构提供了理论支持。

图4 (a) 有限元分析三轴度图；(b) 有限元分析等效应变图；（c）试验与有限元分析比较，模式Ⅰ，对角线点阵

致谢

本文第一作者和通讯作者：Y. Boim（Israel Institute of Technology）。

本期小编 沈文顺（整理）

董乃健（校对）

程　航（审核）

董乃健（发布）