金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法与流程

本发明涉及材料力学和测试技术领域，具体涉及一种金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法。

背景技术

相关技术的增材制造(3d打印或快速原型制造)以高能束(如电弧、激光或电子束)作为热源，并使热源按零件的几何特征进行快速移动来熔化金属原料(如丝材或粉末)，从而实现逐层累加成形。然而，由于金属增材制造产品经历了无数次的熔化和凝固过程，热源作用区域较小，局部区域的热历史受到热源功率、扫描策略、构件形式和尺寸等多种因素的影响而变得极其复杂，会引起不同高度、不同方向上微观结构的显著差异，并直接导致局部区域力学性能的不均匀。

目前，评价增材制造成形件力学性能的方法主要有两种：一种是在制造零件的同时打印拉伸试样，但是打印的拉伸试样只能反映试样宏观的力学性能，不能代表零件特定高度和特定方向的局部力学性能。另一种方法是利用聚焦离子束(focusedionbeam，fib)等方法，在材料上切割出纳米或微米级别的微柱并进行压缩试验，但是这种方法切割出来的微柱试样常常会因为尺寸太小而产生尺度效应，并且，采用这种方法得到的结果不仅不能反映试样宏观的力学性能，而且操作比较复杂。

因此，如何根据增材制造的成形特点在合适的尺度下进行试验从而有针对性地、准确地评价增材制造成形件的力学性能成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的实施方式提供了一种金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法。

本发明的实施方式提供的一种金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法包括步骤：

确定所述金属增材制造成形件的关键位置的高度和方向；

从所述关键位置获取微小压缩试样；

对所述微小压缩试样进行压缩试验以获得所述微小压缩试样的力-位移曲线；

修正所述力-位移曲线并将修正后的所述力-位移曲线转化为所述微小压缩试样的应力-应变曲线；和

根据所述应力-应变曲线确定所述微小压缩试样的力学性能，所述力学性能包括弹性模量和屈服强度。

本发明实施方式的金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法，针对金属增材制造成形件的组织和力学性能高度局部化的特点，通过从增材制造成形件上的关键位置获取的微小压缩试样，来表征金属增材制造成形件的关键位置的力学性能，解决了标准试样无法反映零件局部性能的难题。所选择的微小压缩试样的尺度既具有宏观力学性能的代表性，又能准确反映指定高度、指定方向的微区力学性能。

在某些实施方式中，所述微小压缩试样呈柱状，所述微小压缩试样的横截面呈圆形，所述横截面与所述微小压缩试样的高度方向垂直，所述微小压缩试样的高度大于0.5mm且小于或等于3mm，所述微小压缩试样的高度与所述横截面的直径的比值为1-3，所述横截面的面积大于0.5mm²且小于或等于3mm²。

在某些实施方式中，所述微小压缩试样呈柱状，所述微小压缩试样的横截面呈正方形，所述横截面与所述微小压缩试样的高度方向垂直，所述微小压缩试样的高度大于0.5mm且小于或等于3mm，所述微小压缩试样的高度与所述横截面的边长的比值为1-3，所述横截面的面积大于0.5mm²且小于或等于3mm²。

在某些实施方式中，所述压缩试验的载荷小于或等于1000n，所述压缩试验的载荷加载速率为0.1μm/s-3μm/s。

在某些实施方式中，所述确定所述金属增材制造成形件的关键位置的高度和方向的步骤包括：

在所述金属增材制造成形件的几何模型中确定所述几何模型的模型关键位置；和

根据所述模型关键位置和所述金属增材制造成形件与所述几何模型的位置关系，在所述金属增材制造成形件确定所述关键位置的高度和方向。

在某些实施方式中，在所述从所述关键位置获取微小压缩试样的步骤后，所述金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法包括：

处理所述微小压缩试样以使所述微小压缩试样表面光滑并测量处理后的所述微小压缩试样的尺寸。

在某些实施方式中，所述修正所述力-位移曲线并将修正后的所述力-位移曲线转化为所述微小压缩试样的应力-应变曲线的步骤包括：

修正所述力-位移曲线，并根据修正后的所述力-位移曲线和所述处理后的所述微小压缩试样的尺寸确定所述微小压缩试样的应力-应变曲线。

在某些实施方式中，所述修正所述力-位移曲线的步骤包括：

获取所述微小压缩试样测量位移；

根据所述预设模型确定所述微小压缩试样的实际位移，所述预设模型包括所述测量位移；和

根据所述实际位移修正所述力-位移曲线。

在某些实施方式中，所述预设模型表示为：

其中，ds为所述实际位移，df为所述测量位移，ci为所述压缩试验的试验机各个部件的柔度，f为所述测量位移对应的压力值，所述测量位移和所述压力值根据所述压缩试验的试验机的输出信号确定。

在某些实施方式中，所述根据所述应力-应变曲线确定所述微小压缩试样的力学性能的弹性模量和屈服强度的步骤包括：

在所述应力-应变曲线的弹性阶段进行曲线拟合，从而计算所述微小压缩试样的弹性模量，并根据所述弹性模量和所述应力－应变曲线确定所述微小压缩试样的所述屈服强度。

本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施方式的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施方式的金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法的流程示意图；

图2是本发明实施方式的金属增材制造成形件的立体示意图；

图3是本发明实施方式的金属增材制造成形件的平面示意图；

图4是本发明实施方式的微小压缩试样的立体示意图；

图5是本发明另一实施方式的微小压缩试样的立体示意图；

图6是本发明另一实施方式的金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法的流程示意图；

图7是本发明又一实施方式的金属增材制造成形件的局部力学性能的评价方法的流程示意图。

主要元件符号说明：

金属增材制造成形件10、微小压缩试样12、平面14、关键位置的高度h、横截面s、直径d、微小压缩试样的高度h、边长a。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

本发明的实施方式提供了一种金属增材制造成形件10的局部力学性能的评价方法。

请参阅图1、图2和图3，本发明的实施方式提供的一种金属增材制造成形件10的局部力学性能的评价方法包括步骤：

s12：确定金属增材制造成形件10的关键位置的高度和方向；

s14：从关键位置获取微小压缩试样12；

s16：对微小压缩试样12进行压缩试验以获得微小压缩试样12的力-位移曲线；

s18：修正力-位移曲线并将修正后的力-位移曲线转化为微小压缩试样12的应力-应变曲线；和

s20：根据应力-应变曲线确定微小压缩试样12的力学性能，力学性能包括弹性模量和屈服强度。

本发明实施方式的金属增材制造成形件10的局部力学性能的评价方法，针对金属增材制造成形件10的组织和力学性能高度局部化的特点，通过从增材制造成形件上的关键位置获取的微小压缩试样12，来表征金属增材制造成形件10的关键位置的力学性能，解决了标准试样无法反映金属增材制造成形件10局部性能的难题。所选择的微小压缩试样12的尺度既具有宏观力学性能的代表性，又能准确反映指定高度、指定方向的微区力学性能。

具体地，本发明实施方式的金属增材制造成形件10的局部力学性能的评价方法特别适用于增材制造成形件及力学性能不均匀的材料或构件，例如功能梯度材料和各向异性材料等。

请注意，步骤s20中，力学性能不仅包括弹性模量和屈服强度，还包括其他指标，在此弹性模量和屈服强度仅作为力学性能的示例而非限制。

在步骤s12和步骤s14，在图2和图3的示例中，可以以增材制造(选区激光熔化)成形的试样的方向，即金属增材制造成形件10的长度方向、宽度方向和高度方向为例，建立如图所示的xyz坐标系。

其中，坐标系x轴的方向与金属增材制造成形件10的宽度方向一致，坐标系y轴的方向与金属增材制造成形件10的长度方向一致，坐标系z轴的方向与金属增材制造成形件10的高度方向一致。

金属增材制造成形件10的横截面为矩形，尺寸为10mm×25mm，打印高度为50mm。具体地，步骤s14中，可以从在z轴的方向上与金属增材制造成形件10的底部16的距离h为40mm的平面14，切取4个微小压缩试样：12a、12b、12c、12d。

请参阅图3，微小压缩试样12a的轴线平行于y轴，微小压缩试样12b的轴线平行于x轴，微小压缩试样12c的轴线平行于z轴，微小压缩试样12d的轴线与y轴成62°的夹角。

也即是说，金属增材制造成形件10是长、宽、高分别为25mm、10mm和50mm的长方体。本示例在金属增材制造成形件10中确定了四个关键位置，第一个关键位置的高度h为40mm，方向为平行于y轴，从第一个关键位置切取微小压缩试样12a；第二个关键位置的高度h为40mm，方向为平行于x轴，从第二个关键位置切取微小压缩试样12b；第三个关键位置的高度h为40mm，方向为平行于z轴，从第三个关键位置切取微小压缩试样12c；第四个关键位置的高度h为40mm，方向为与y轴成62°的夹角，从第四个关键位置切取微小压缩试样12d。

请参阅图4，在某些实施方式中，微小压缩试样12呈柱状，微小压缩试样12的横截面s呈圆形，横截面s与微小压缩试样12的高度方向垂直，微小压缩试样12的高度h大于0.5mm且小于或等于3mm，微小压缩试样12的高度h与横截面s的直径d的比值为1-3，横截面s的面积大于0.5mm²且小于或等于3mm²。

也即是说，本发明实施方式的微小压缩试样12呈圆柱状，微小压缩试样12的尺寸需要满足高度h在(0.5,3]的范围，高度h与直径d的比值在[1,3]的范围，横截面s的面积在(0.5,3]的范围。

在一个例子中，微小压缩试样12的高度h为1mm，微小压缩试样12的高度h与直径d的比值为1，横截面s的面积为0.785mm²；在另一个例子中，微小压缩试样12的高度h为1mm，微小压缩试样12的高度h与直径d的比值为1.2，横截面s的面积为0.56mm²；在又一个例子中，微小压缩试样12的高度h为3mm，微小压缩试样12的高度h与直径d的比值为3，横截面s的面积为0.785mm²。

请参阅图5，在某些实施方式中，微小压缩试样12呈柱状，微小压缩试样12的横截面s呈正方形，横截面s与微小压缩试样12的高度方向垂直，微小压缩试样12的高度h大于0.5mm且小于或等于3mm，微小压缩试样12的高度h小于或等于3mm，微小压缩试样12的高度h与横截面s的边长a的比值为1-3，横截面s的面积大于0.5mm²且小于等于3mm²。如此，微小压缩试样12在准确反映指定高度、指定方向的微区力学性能的同时，可以具有宏观力学性能的代表性。

也即是说，本发明实施方式的微小压缩试样12呈棱柱状，进一步地，本发明实施方式的微小压缩试样12呈长方体。微小压缩试样12的尺寸需要满足高度h在(0.5,3]的范围，高度h与边长a的比值在[1,3]的范围，横截面s的面积在(0.5,3]的范围。在一个例子中，微小压缩试样12的高度h为1mm，微小压缩试样12的高度h与边长a的比值为1，横截面s的面积为1mm²；在另一个例子中，微小压缩试样12的高度h为1mm，微小压缩试样12的高度h与边长a的比值为1.2，横截面s的面积为0.69mm²；在又一个例子中，微小压缩试样12的高度h为3mm，微小压缩试样12的高度h与边长a的比值为3，横截面s的面积为1mm²。

当然，微小压缩试样12的横截面s也可以为三角形、五边形等多边形或者其他不规则形状，只要微小压缩试样12的横截面s在高度方向上均匀，即只要微小压缩试样12呈直柱状即可。

在图2和图3的示例中，4个微小压缩试样12均呈圆柱体且尺寸一致。具体而言，微小压缩试样12的高度h为1mm，直径d为1mm，横截面s的面积为0.785mm²，微小压缩试样12的高度h与直径d的比值为2。

在某些实施方式中，压缩试验的载荷小于或等于1000n，压缩试验的载荷加载速率为0.1μm/s-3μm/s。如此，实现压缩试验。具体地，可以将微小压缩试样12置于力学性能试验机，设置压缩试验的载荷和加载速率等参数之后，启动试验机。优选地，压缩试验的载荷加载速率为1μm/s。

在一个例子中，压缩试验的载荷为1000n，加载速率为0.5μm/s；在另一个例子中，压缩试验的载荷为800n，加载速率为1.5μm/s；在又一个例子中，压缩试验的载荷为500n，加载速率为1.0μm/s。

在图2和图3的示例中，试验机的压头下压距离为0.3mm，加载速率为0.001mm/s，即1μm/s，最大力为100n。

请注意，1000n是由设备决定的，设备的最大能力是1000n。加载速率是下压距离与完成下压距离的时间的比值。比如，下压距离为1mm时，如果在1s中内完成，此时的加载速率就是1mm/s；如果在10秒钟内完成，此时的加载速率为0.1mm/s。本例子中，下压距离为0.3mm，加载速率为0.001mm/s，也即是说，完成下压0.3mm的时间为300s。

如此，可以分别获得试验机记录的4个微小压缩试样12的力-位移曲线。

请参阅图6，在某些实施方式中，步骤s12包括：

步骤s122：在金属增材制造成形件10的几何模型中确定几何模型的模型关键位置；和

步骤s124：根据模型关键位置和金属增材制造成形件10与几何模型的位置关系，在金属增材制造成形件10确定关键位置的高度和方向。

如此，可以通过金属增材制造成形件10的几何模型确定金属增材制造成形件10的关键位置的高度和方向。具体地，可以在金属增材制造成形件10的几何模型中建立坐标并在几何模型中确定模型关键位置的高度和在该高度位置平面上的方向。请注意，该坐标与金属增材制造成形件10的制造过程中的坐标重合，且金属增材制造成形件10与几何模型的摆放方位一致。

请参阅图7，在某些实施方式中，在步骤s14后，金属增材制造成形件10的局部力学性能的评价方法包括：

步骤s15：处理微小压缩试样12以使微小压缩试样12表面光滑并测量处理后的微小压缩试样12的尺寸。

如此，使得微小压缩试样12的尺寸的测量更加准确。具体地，可以在对微小压缩试样12进行打磨和抛光以使微小压缩试样12的表面光滑且没有毛刺之后，利用金相显微镜对微小压缩试样12进行拍照测量，然后再测量微小压缩试样12的尺寸。请注意，此处“微小压缩试样12的尺寸”是指微小压缩试样的高度h和横截面s的直径d(或边长a)。可以理解，测量后的尺寸可以满足如前所述的微小压缩试样12的尺寸范围。

在某些实施方式中，步骤s18包括：

修正力-位移曲线，并根据修正后的力-位移曲线和处理后的微小压缩试样12的尺寸确定微小压缩试样12的应力-应变曲线。

如此，使得应力-应变曲线更加准确。可以理解，试验机记录的力-位移曲线是试验机的压头的位移而不是微小压缩试样12的实际位移，所以需要对力-位移曲线进行修正。

在某些实施方式中，修正力-位移曲线的步骤包括：

获取微小压缩试样12测量位移；

根据预设模型确定微小压缩试样12的实际位移，预设模型包括测量位移；和

根据实际位移修正力-位移曲线。

如此，实现对力-位移曲线的修正。如前所述，试验机记录的力-位移曲线不是微小压缩试样12的实际位移，也即是说，试验机记录的测量位移与微小压缩试样12的实际位移之间存在着一定的偏差。因此，可以将试验机记录的测量位移代入预设模型中进行计算，以减小甚至消除偏差，来获得微小压缩试样12的实际位移，从而根据实际位移来修正力-位移曲线。

在某些实施方式中，预设模型表示为：

其中，ds为实际位移，df为测量位移，ci为压缩试验的试验机的各个部件的柔度，f为测量位移对应的压力值，测量位移和压力值根据压缩试验的试验机的输出信号确定。

如此，可以根据预设模型实现对力-位移曲线的修正。可以理解，是测量位移与实际位移之间的偏差。一般测量位移与实际位移之间的偏差是由试验机引起的，因此，为获得准确的微小压缩试样12的实际位移，需要测定压杆、传感器等试验机机各个部件的柔度，并利用预设模型进行修正。此外，在图2和图3的示例中，测定的试验机的柔度为0.00118mm/n。

在某些实施方式中，步骤s20包括：

在应力-应变曲线的弹性阶段进行曲线拟合，从而计算微小压缩试样12的弹性模量，并根据弹性模量和应力-应变曲线确定微小压缩试样12的屈服强度。

如此，实现确定微小压缩试样12的力学性能的弹性模量和屈服强度。

在图2和图3的示例中，微小压缩试样12a的应力－应变曲线所确定的力学性能，可以反映金属增材制造成形件10在平面14处且在y轴方向上的力学性能；

微小压缩试样12b的应力－应变曲线所确定的力学性能，可以反映金属增材制造成形件10在平面14处且在x轴方向上的力学性能；

微小压缩试样12c的应力－应变曲线所确定的力学性能，可以反映金属增材制造成形件10在平面14处且在z轴方向上的力学性能；

微小压缩试样12d的应力－应变曲线所确定的力学性能，可以反映金属增材制造成形件10在平面14处且在与y轴成62°的夹角的方向上的力学性能。

需要说明的是，本发明实施方式可以只满足上述其中一个实施方式或同时满足上述多个实施方式，也就是说，上述一个或多个实施方式组合而成的实施方式也属于本发明实施方式的保护范围。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施方式进行变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。