摘要：增材制造（AM）材料和零件的力學性能測試對于確保其結構完整性和功能性至關重要。國外目前ASTM和ISO兩大標準組織已制定了一系列適用于傳統材料和復合材料的測試標準，但這些標準在增材制造領域的適用性仍需進一步驗證。由于增材制造工藝的特殊性（如層間結合、各向異性、內部缺陷等），直接沿用傳統測試方法可能無法準確表征其力學行為。

關鍵詞：增材制造、力學性能、標準、各向異性

目前國際上有兩個標準組織致力于增材制造領域的研究。ASTM委員會F42負責增材制造技術領域，其下屬的F42.05分委會專門處理材料和工藝相關標準。ISO的TC 261技術委員會則負責制定增材制造領域的國際標準。這兩個組織目前都通過引用現有標準來處理增材制造材料和零件的力學性能測試問題。以下分析闡述了現行標準在聚合物增材制造材料和零件力學測試中的適用性。

一、拉伸測試

相關標準主要針對塑料（ASTM D638，ISO 527-2）和復合材料（ASTM D3039，ISO 527-4）。這些標準采用啞鈴型或帶端部加強片的試樣，其幾何形狀基于樣品厚度或復合材料類型。拉伸測試可獲取楊氏模量、泊松比、屈服應力、強度及斷裂伸長率等參數。復合材料標準涉及纖維取向問題，但這些標準對增材制造材料的適用性尚未在文獻中得到充分闡述。Ahn研究發現ASTM D638 I型試樣幾何形狀會導致試樣過早失效，這種早期失效是由啞鈴型試樣標距附近半徑區域內的應力集中所致。該區域包含纖維末端，從而引起過度剪切。研究者改用ASTM D3039試樣幾何形狀以解決該問題，但這是文獻中發現的唯一相關案例。ISO 458（未在本文討論范圍內）規定了材料在扭轉作用下的剛度測試標準。

二、彎曲測試

ASTM D790與ISO 178是等效標準，采用三點彎曲法測量5%應變極限內的彎曲模量、彎曲強度、彎曲應力及斷裂應變。若無法滿足應變極限要求，則采用四點法的ASTM D6272以提高獲取失效測量結果的可能性。該測試可降低三點測試中與中心滾軸相關的應力集中。這些標準適用于未增強和增強材料。對于含有高模量纖維的復合材料，應使用ASTM D7264進行測試。但標準未涉及可能具有各向異性特性的增材制造材料所面臨的特殊挑戰。

三、壓縮測試

適用于壓縮測量的標準包括ASTM D695和ISO 604。ASTM D3410與ISO 14126專門針對纖維增強復合材料的面內壓縮性能測試。這些標準可測量壓縮模量、壓縮屈服應力、失效壓縮強度及失效壓縮應變，并對試樣的直徑和高度有幾何尺寸限制。

四、剪切測試

現有多種測量材料剪切模量和強度的標準測試方法。纖維增強復合材料標準（ISO 14129、ISO 14130、ASTM D2344和ASTM D3518）并不直接適用于增材制造。這些方法專為特定取向的高強度纖維或織物增強聚合物而開發，要求確定定向纖維間的特定層間失效模式，而這類試樣通常無法通過增材制造獲得。ASTM D7078和ASTM D3846是兩個用于測量剪切性能的缺口試樣標準，采用特定缺口幾何形狀和纖維增強定向排列的試樣。這些測試方法可能因兩個原因不直接適用于增材制造材料：首先，增材制造零件不具備纖維復合材料在不同方向上表現出的高模量比和失效強度比，因此載荷分布和裂紋擴展機制存在差異；其次，復合材料層壓板可在纖維層間基體中制造尖銳的初始裂紋以提高測試精度，而當前增材制造的熱處理工藝難以實現這種明確定義的尖銳初始裂紋，從而影響失效行為表征。雖然存在引入尖銳裂紋的方法（如金屬采用的疲勞法），但該方法不適用于聚合物材料，而使用剃須刀等銳邊工具也可能無法在增材制造零件中產生合適裂紋。

目前僅有兩個直接適用于增材制造的剪切標準：ASTM D4255和ISO 15310，分別用于測定塑料和纖維增強材料的剪切模量。這些標準允許測試各向同性材料，但未提供針對增材制造材料的測試指導。

五、蠕變測試

蠕變測量標準提供了在不同暴露環境（如溫度、水溶液或表面活性劑溶液）下測量樣品尺寸變化的方法。測試載荷環境包括拉伸、壓縮、彎曲和溶液浸泡等多種形式。ASTM D2990-09引用ASTM D543《塑料耐化學試劑性能評估規范》來規定環境條件下的溶液成分，對應ISO標準為ISO 899。標準對試樣長徑比有嚴格要求，建議在材料使用范圍內至少選擇兩個不同測試溫度以評估溫度影響。通過七個應力水平下長達3000小時的蠕變斷裂測試可獲得長期性能數據。設計用蠕變數據通過使材料在1000小時內產生1%應變的多個應力水平測試獲得，但標準未提供針對各向異性樣品（如纖維復合材料）的指導。

六、疲勞測試

ASTM D7774是單軸加載疲勞測試標準（無對應ISO標準），測試頻率范圍為1-25Hz（推薦低于5Hz以避免樣品發熱）。該方法可建立應力/應變-循環次數關系曲線，以試樣失效或達到10^7次循環作為疲勞極限。選擇10^7次循環是為控制測試時長，但具體應用可能需要調整。通過R比值（最小與最大應力/應變比）定義載荷范圍，測試在材料彈性極限內進行，可施加拉伸或壓縮載荷。

ASTM D7791與ISO 13003是塑料彎曲疲勞測試方法，兩者技術細節存在差異：ASTM采用正負雙向循環的三點或四點加載，R比為-1且不超過比例極限；ISO通過計算極限拉伸/彎曲強度確定加載速率，以試樣剛度降低20%作為終止條件。兩個標準均未涉及增材制造工藝導致的材料各向異性問題。

ISO 15850和ASTM D6115涉及疲勞分層/裂紋擴展測試，專門測量纖維復合材料層間斷裂能。與其他復合材料專用標準類似，尚不確定增材制造材料是否符合這些標準基于的斷裂力學假設。

七、斷裂韌性測試

斷裂韌性測試用于測定材料或復合材料中預裂紋擴展所需能量，其值可用于零件設計和材料開發。這些標準通常要求在材料中預制尖銳裂紋，通過監測載荷、位移和裂紋擴展情況，采用線彈性斷裂力學分析計算斷裂能（GiC）和斷裂韌性（KiC）（下標i表示I、II或III型載荷，見圖6）。復合材料測試用于確定含高模量纖維/織物的層間斷裂韌性，聚合物測試則提供工程設計用材料參數。由于需要在材料中預制尖銳裂紋，而增材制造工藝存在尺寸限制，這可能帶來實施難題。

ISO 15024和ASTM D5528專為纖維增強復合材料設計，用于生成抗裂紋擴展曲線（R曲線）評估抗分層性能，因增材制造缺乏連續纖維而不直接適用。ISO 29221通過緊湊拉伸試樣測量平面應變止裂韌性，要求預制尖銳裂紋和限制裂紋擴展路徑的溝槽，但增材制造的尺寸精度和建造方向對裂紋擴展的影響尚不明確。ISO 13586適用于剛性/半剛性熱塑性塑料和非連續纖維復合材料，其修正案ISO 13586提供了注塑復合材料縱向/橫向測試指引，這或可作為評估該標準增材制造適用性的起點。ASTM D6068通過J-R曲線研究塑料材料裂紋擴展內聚力模型參數，需對透明熱塑性塑料粉床熔融或光敏樹脂材料噴射成型的試樣進行裂紋加工。

八、沖擊測試

ISO 179與ASTM D6110規定夏比沖擊試驗方法，ISO 180與ASTM D256規定伊佐德沖擊試驗方法。雖然許多增材制造聚合物數據表提及沖擊測試，但未說明材料制備和取向細節。兩種測試的主要區別在于試樣擺放位置和缺口方向：伊佐德試驗試樣垂直放置且缺口面向沖擊錘，夏比試驗試樣水平放置且缺口背向沖擊錘（缺口可為V型或U型）。與斷裂韌性測試類似，目前不確定缺口應直接成型于增材制造零件還是后續機加工形成。

九、支承強度與開孔壓縮測試

這些測試評估復合材料螺栓連接功能強度，并可研究損傷區域對性能的影響。具體標準包括ASTM D953-10、ASTM D5961、ASTM D6484以及ISO 12815、ISO 12817。雖然目前增材制造領域文獻中未見對此類標準的需求，但隨著增材制造零件（如人體植入物）與其他結構的集成應用，業界需了解零件設計對承載能力的影響及長期變形行為。現行標準應可直接適用，但需補充關于材料各向異性的說明。

總結

總體而言，現有力學測試標準為增材制造材料和零件的性能評估提供了基礎框架，但在實際應用中仍需考慮增材制造工藝帶來的獨特挑戰，如各向異性、內部孔隙、層間結合強度等。部分標準（如剪切、斷裂韌性測試）因依賴特定試樣制備方法（如預制尖銳裂紋）或纖維增強結構，可能無法直接適用于增材制造材料。未來需針對增材制造工藝特點，開發或修訂測試標準，重點關注試樣制備方法、加載方向與建造方向的關系，以及微觀結構對力學行為的影響。此外，隨著增材制造在多領域（如航空航天、生物醫療）的深入應用，功能化測試（如動態載荷、環境老化）標準的完善也將成為重要研究方向。

參考資料：

1. Aaron M. Forster，Materials Testing Standards for Additive Manufacturing of Polymer Materials: State of the Art and Standards Applicability