Трещиностойкость (вязкость разрушения) — это способность материала сопротивляться образованию и распространению трещин при механических и других воздействиях. Для аддитивных материалов эта характеристика особенно важна, так как многие из них (керамика, порошковые материалы, композиты) склонны к хрупкому разрушению и обладают низкой трещиностойкостью.

Аддитивные технологии изготовления деталей и элементов конструкций получают все большее применение в различных областях техники [1]. Материалы для производства таких изделий обладают широким спектром свойств, которые в основном исследуются при статических видах нагружения на однородных образцах, не имеющих дефектов. Однако многие материалы, такие как керамика, порошковые материалы, композиты, склонны к хрупкому разрушению и обладают низкой трещиностойкостью (вязкостью разрушения) [2, 3].

Трещиностойкость характеризует сопротивление материала зарождению и развитию трещин. Поскольку аддитивные технологии создают детали послойно, их трещиностойкость является анизотропной и требует строгого контроля. Для определения трещиностойкости материалов проводятся специальные испытания. Испытания металлических образцов выполняются в соответствии с ГОСТ 25.506–85 [6].

Ключевые особенности трещиностойкости в 3D-печати

— Анизотропия свойств: Из-за послойного наплавления материала трещиностойкость детали различается в зависимости от направления выращивания. Как правило, вдоль слоев (нагрузка параллельна плоскости построения) трещиностойкость выше, чем при нагрузках, действующих перпендикулярно слоям (когда трещина идет между зонами спекания).

— Влияние пористости: Любые микродефекты — поры, несплавы, внутренние напряжения — оставшиеся после печати, выступают концентраторами напряжений и снижают барьерное сопротивление развитию трещины. [1,2]

— Остаточные напряжения: Высокие градиенты температур при лазерной или электронной плавке порошка вызывают напряжения, которые могут способствовать спонтанному росту трещин (особенно в высокопрочных сплавах и керамике) еще до начала эксплуатации детали.

Для определения трещиностойкости материалов проводятся специальные испытания. Испытания металлических образцов выполняются в соответствии с ГОСТ 25.506–85 [6].

Стандартизированных методик для исследования трещиностойкости

пластмасс и композитов нет. Поэтому на практике используются рекомендации указанного выше ГОСТа, в частности, испытания образцов из исследуемого материала на трехточечный изгиб (наиболее часто) и внецентренное растяжение.

В соответствии с ГОСТ 25.506–85 для определения характеристик трещиностойкости испытывают с записью диаграмм «нагрузка — смещение» (P — v) или «нагрузка — прогиб» (P — f) образцы с предварительно нанесенной усталостной трещиной. На образец до испытания устанавливается датчик перемещений (экстензометр), который предназначен для измерения роста усталостной трещины.

По результатам испытаний определяют основные характеристики трещиностойкости: силовые — критические коэффициенты интенсивности напряжений, деформационные — раскрытие в вершине трещины, энергетические –критические значения J-интеграла.

Для испытаний композитов и пластмасс на трехточечный изгиб рекомендуются образцы вида, представленного в [3]. Испытания проводят на образцах, имеющих трещину (на образцах из металлов это усталостные трещины). Эти трещины получают с применением специальных устройств, что, например, описано в [7]. При подготовке образцов из пластмасс и пластмасс, армированных стекловолокном, как указано в [3], выращивание усталостной трещины является сложной задачей. В этих случаях трещину создают искусственным путем.

Многие материалы, в том числе полученные с применением аддитивных технологий, обладают анизотропией механических свойств [8]. В таких случаях ГОСТ 25.506–85 рекомендует специальную схему вырезки образцов.

Пластмассы, в частности армированные стекловолокном, обладают нелинейными характеристиками, связанными с ползучестью [3, с. 83]. Поэтому в отличие от испытаний на трещиностойкость металлов при испытании полимерных материалов необходимо устанавливать максимальную для испытательной машины Kason WDW-1 скорость приложения нагрузки. Диапазон плавно регулируемых скоростей нагружения машины Kason WDW-1 составляет 0,005…1000 мм/мин. Скорость нагружения при проведении испытаний полимерных композитов на растяжение подбирается опытным путем с использованием ГОСТ Р 56800–2015 [9].

Одним из основных недостатков аддитивных материалов является низкая межслоевая прочность и трещиностойкость — потеря когезионной связи между слоями материала вследствие возникновения и развития дефектов в полимерной матрице и на границах раздела фаз (трещин, расщеплений, расслоений и отслоений в местах концентрации напряжений) при воздействии остаточных (внутренних) напряжений, внешних нагрузок и факторов окружающей среды (влаги, термоциклирования) как при производстве элементов конструкций, так и при их эксплуатации. При сложной конфигурации конструкции и дефекта, классические методы определения трещиностойкости слоистых материалов не позволяют правильно оценить их трещиностойкость. Кроме того, невозможно определить условия зарождения и роста трещины в местах концентрации напряжений при отсутствии свободных поверхностей.

Литература:

1. Ловшенко, Ф. Г. Механически легированные жаропрочные порошки для производства изделий аддитивными технологиями: монография / Ф. Г. Ловшенко, А. С. Федосенко. –Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2019. — 405 с.
2. Сопротивление материалов. Твердость и трещиностойкость наноструктурных керамик: учебное пособие для вузов / О. Л. Хасанов [и др.]. — Москва: Юрайт, 2016. — 150 с.
3. Фудзии, Т. Механика разрушения композиционных материалов: пер. с японск. /Т. Фудзии, М. Дзако. — Москва: Мир, 1982. — 232 с.
4. Механика разрушения и прочность материалов: справочное пособие: в 4 т. / Под общ. ред. В. В. Панасюка. — Киев: Наукова думка, 1988. — Т. 3. — 436 с.
5. Пестриков, В. М. Механика материалов на базе компьютерных технологий: практикум / В. М. Пестриков, Е. М. Морозов. — Санкт-Петербург: БХВ, 2007. — 464 с.
6. ГОСТ 25.506–85. Методы механических испытаний металлов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. — Москва: Стандартинформ, 2005. — 38 с.
7. Казачков, О. В. Способ выращивания усталостных трещин в ударных образцах /О. В. Казачков // Тр. лесоинженерн. фак-та Петрозаводского гос. ун-та. — 1999. — С. 41–42.
8. Осипок, Т. В. Оценка анизотропии механических свойств листового проката из углеродистой стали / Т. В. Осипок, С. А. Зайдес // Вестн. Иркутск. гос. техн. ун-та. — 2020. –Т. 24, № 5. — С. 1007–1018.
9. ГОСТ Р 56800–2015. Композиты полимерные. Определение механических свойств при растяжении неармированных и армированных материалов. — Москва: Стандартинформ, 2015.- 26 с.
10. Войнов, Е. С. Исследования трещиностойкости аддитивных материалов / Е. С. Войнов. — Текст: электронный // Время развития: [сайт]. — URL: https://vremyarazvitiya.ru/tehnicheskie-nauki/?history=6&pfid=1&sample=0&ref=0 (дата обращения: 03.06.2026).