《Engineering Fracture Mechanics》：Influence of 3D microvoid morphology on local mechanical field and fatigue life in nickel-based single crystals
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•构建了三维形貌因子，以定量表征内部微观孔隙缺陷。•系统评估了微观孔隙三维形貌对材料局部力学性能的影响。•采用几何平均应力来准确表征微观孔隙几何形状如何影响局部材料响应。•通过建立微观孔隙三维特征与局部应力之间的关联，开发了一种疲劳寿命预测模型。引言镍基单晶（NBSX）高温合
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构建了三维形貌因子，以定量表征内部微观孔隙缺陷。
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系统评估了微观孔隙三维形貌对材料局部力学性能的影响。
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采用几何平均应力来准确表征微观孔隙几何形状如何影响局部材料响应。
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通过建立微观孔隙三维特征与局部应力之间的关联，开发了一种疲劳寿命预测模型。
引言
镍基单晶（NBSX）高温合金因其卓越的耐高温强度、抗氧化性能和抗蠕变性能，是航空发动机涡轮叶片的核心材料。然而，加工或使用过程中不可避免地引入的内部微观孔隙会作为强效应力集中源和循环热力载荷下疲劳裂纹萌生的优先位置[1]、[2]。如图1所示，微观孔隙作为裂纹萌生位置，引起应力集中并加速疲劳裂纹扩展，最终在极端热-力耦合条件下导致涡轮叶片提前断裂。尽管热等静压等工艺可以降低孔隙率，但完全消除微观孔隙仍然不可实现[3]、[4]、[5]。因此，阐明微观孔隙三维特征影响局部应力场的机制对于损伤评估和性能预测具有重要的科学和实际意义，对于进一步提高NBSX合金的可靠性和服役安全性至关重要。
以往的研究已建立了微观孔隙、损伤与力学性能之间的重要联系。然而，二维扫描电镜（SEM）或透射电镜（TEM）观测会使长宽比、球形度、取向和连通性等三维描述符产生失真[6]、[7]、[8]、[9]。X射线计算机断层扫描（XCT）可提供内部微观孔隙形貌的直接信息[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]，最近的高通量XCT研究进一步表明孔隙形状和局部应力状态会影响损伤动力学[19]。在NBSX中，本征三维微观孔隙形貌、局部应力/应变场与高温疲劳寿命之间的定量联系尚不完备。
NBSX高温合金中微观孔隙周围的应力集中会降低周围微观组织的稳定性并加速筏化动力学。这种过早的筏化会进一步加剧微观组织的不稳定性，最终导致微裂纹萌生。先前的晶体塑性有限元方法（CPFEM）和XCT研究表明，微观孔隙的形状、取向和聚集状态会影响局部塑性应变和应力集中[19]、[20]、[21]、[22]。然而，大多数模型仍采用理想化的二维或各向同性描述，并未将真实的三维微观孔隙形貌与疲劳相关的应力放大直接联系起来。
微观孔隙的三维形貌会影响NBSX高温合金的局部损伤，且该效应因单晶弹性和塑性各向异性而被放大。连续损伤模型，包括Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型、用于非球形微观孔隙的Gologanu-Leblond-Devaux（GLD）模型以及各向异性延性断裂公式，为孔隙率和孔隙形状演化提供了重要基础[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。本研究针对一个更窄的研究空白：利用实验重构的不规则三维微观孔隙形貌来定义[001]取向NBSX的疲劳导向应力放大因子。
本研究阐明了NBSX中真实三维微观孔隙形貌如何控制局部应力场演化并导致疲劳寿命劣化。本研究定位于形貌知情的疲劳评估框架，而非新的循环晶体塑性或孔隙生长定律。首先通过XCT表征重构微观孔隙几何形状，然后通过CPFEM量化形貌依赖的应力局部化，并将所得放大效应引入通过应力控制试验标定的疲劳损伤模型中。本文其余部分组织如下。第2节描述研究方法，包括材料、实验表征技术和基本理论框架。第3节呈现结果与讨论。最后，第4节总结主要结论。
章节摘要
研究方法
图2总结了本研究的主要研究内容和流程。本节详细描述了本研究中所采用的材料、理论框架、实验程序和表征技术。
结果与讨论
本节定量表征了材料和试样中的微观孔隙特征，并将其与相应的断裂形貌及微观孔隙周围的微观组织联系起来。为进一步阐明微观孔隙形貌与宏观力学行为之间的关系，系统地分析了具有不同形貌的单个微观孔隙周围的局部应力和应变分布。在此基础上，建立了一种NBSX的疲劳寿命评估框架。
结论
本研究通过XCT表征与晶体塑性建模相结合的方法，系统研究了三维微观孔隙形貌在控制镍基单晶高温合金局部力学场和疲劳寿命方面的作用。主要结论可总结如下：
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高分辨率XCT揭示了热处理态、2%应变和断裂试样之间微观孔隙形貌的显著差异，表现为明显的变化
CRediT作者贡献声明
Jiapo Wang：写作—初稿撰写。Chenming Liu：写作—初稿撰写。Kaiwen Zheng：写作—审阅与编辑。Haiqing Pei：写作—审阅与编辑。Jianwei Liang：写作—审阅与编辑。Zhixun Wen：写作—审阅与编辑。Yan Peng：写作—审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本研究得到国家自然科学基金（12302105、52305163）、河北省自然科学基金（E2022203101）、河北省教育厅科技项目（QN2023021）以及河北省自然科学基金创新研究群体基金（编号：E2025203237）的支持。
Jiapo Wang|Chenming Liu|Kaiwen Zheng|Haiqing Pei|Jianwei Liang|Zhixun Wen|Yan Peng
