基于双尺度建模方法的 GH4169 高温合金宏观缺口与微观缺陷诱发疲劳裂纹萌生的竞争机制

《International Journal of Fatigue》：Competing mechanisms of fatigue crack initiation induced by macro-notch and micro-defect in GH4169 superalloy based on a dual-scale modeling method

　　

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  双尺度建模方法揭示了宏观缺口与微观缺陷对疲劳裂纹萌生的影响。
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  缺口引起的疲劳寿命降低与宏观缺口尺寸相关。
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  当微观缺陷尺寸与晶粒尺寸相当时，出现缺陷控制型裂纹萌生机制。
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  数值概念验证展示了微观结构信息驱动的疲劳设计的潜力。

引言

循环载荷作用下金属构件的疲劳失效主要起源于应力集中部位，如孔、圆角和凹槽 [1], [2], [3], [4], [5]。这些几何不连续处会引发局部应力场，从而加速疲劳裂纹萌生。尽管已有大量宏观尺度疲劳模型和多轴判据被开发用于评估高温构件的使用寿命 [6], [7], [8]，但这些方法往往忽略了裂纹萌生过程中固有的微观结构敏感性。因此，当这些宏观尺度模型应用于具有非均匀微观结构的超合金或含有微观缺陷的构件时，其预测能力受到了限制。

微观结构特征，包括晶界相互作用 [9], [10]、非金属夹杂物 [11], [12], [13] 以及制造过程中产生的微观缺陷 [14], [15]，已知对疲劳裂纹萌生具有强烈影响。有利的微观结构，如细化晶粒，可能会延迟裂纹的形成 [16], [17], [18], [19], [20]，而固有非均匀性，如微观缺陷，往往充当应力集中的优先部位 [21], [22], [23], [24]。这些特征的重要性不仅取决于微观缺陷的尺寸和形貌，还取决于它们与局部应力梯度和微观结构尺度之间的相互作用。当微观缺陷尺寸超过特征微观结构尺度（例如晶粒直径或孪晶间距）时，缺陷辅助型和微观结构控制型的裂纹萌生机制可能会相互竞争，导致疲劳寿命的显著变异性 [25], [26]。实验研究揭示了疲劳裂纹萌生在微观缺陷部位和邻近粗大晶粒之间的竞争性质 [24], [27]。然而，尽管已有大量工作，先前的研究尚未建立关于微观缺陷特征如何与宏观缺口应力集中相互作用从而影响疲劳裂纹萌生的定量理解。

微观结构改性策略，包括晶粒细化和梯度微观结构，已显示出提高疲劳抗力的潜力 [20], [28], [29]。例如，Lei等 [30] 通过表面机械研磨技术在316 L不锈钢中开发了梯度纳米结构，同时实现了应力控制和应变控制疲劳性能的改善。Li等 [31] 的一篇综合综述进一步证实，各种能够产生梯度纳米晶表面的表面强化处理能够一致地提高疲劳抗力。然而，现有方法通常是独立于微观缺陷特征进行评估的 [32], [33], [34]，这使得晶粒梯度结构和局部微观缺陷的协同效应得不到充分认识。特别是，如何定量理解表面晶粒细化与微观缺陷形貌之间的相互作用对疲劳裂纹萌生的控制作用仍然缺乏研究。晶体塑性有限元（CPFE）框架已成为将微观结构特征与宏观力学响应联系起来的有力工具，尤其在阐明晶粒尺度对变形机制的影响方面 [35], [36], [37], [38], [39]。CPFE框架通过计算技术的进步不断演变，以解决复杂的微观结构相互作用，包括晶粒形貌 [37], [40]、晶界 [39], [41], [42] 和缺陷特征 [43], [44]。后续进展将CPFE与理论方程相结合，揭示了取向依赖的滑移激活。代表性体积单元（RVE）策略被用于提高计算效率，研究表明微观缺陷在循环载荷下诱导了更显著的塑性应变集中 [45], [46]。然而，传统RVE方法在分辨缺口根部附近应力梯度方面存在局限性，而全场微观结构模拟仍然计算量巨大。这些局限性促使了能够整合宏观应力集中效应与局部微观结构变形机制的计算框架的开发 [47], [48], [49], [50], [51], [52]。这些计算框架提供了一种有效途径，用于解决高温条件下几何结构和微观结构共同作用下疲劳裂纹萌生机制认知上的空白。

因此，本研究采用双尺度计算框架，研究镍基超合金的疲劳裂纹萌生，考虑了宏观缺口几何与微观缺陷特征的耦合效应。通过系统的参数研究，本工作识别了与疲劳裂纹萌生转变相关的两个条件性转变。这些机制层面的认识为提出基于机制的指导方法以减少裂纹萌生倾向奠定了基础。

章节摘要

概述

为阐明宏观缺口应力集中与微观缺陷特征在疲劳裂纹萌生中的耦合作用，采用双尺度数值模拟框架将宏观循环变形与微观结构滑移集中联系起来，如图1所示。在宏观尺度上，使用Chaboche本构模型来描述所研究合金的循环应力-应变响应，其参数通过对单轴疲劳的拟合进行标定。

结果

本节展示了在所研究的超合金在不同几何、微观结构和缺陷条件下疲劳裂纹萌生的实验观测和双尺度模拟结果。首先呈现实验观测结果，以建立与宏观缺口和微观缺陷相关的代表性裂纹萌生特征，随后通过系统的参数模拟来分离它们对塑性滑移集中的各自影响。基于此，

讨论

前述结果表明，所研究超合金中的疲劳裂纹萌生受两个关键疲劳驱动特征之间的竞争控制，即缺口引起的应力集中和缺陷引起的滑移集中。本节讨论了本工作所识别的两个条件性转变的机制基础，并进一步展示了如何利用这些认识在已建立的框架中指导疲劳寿命优化。

结论

采用结合宏观循环模型和晶体塑性模型的双尺度建模框架，研究了GH4169镍基超合金的疲劳裂纹萌生。基于本研究的实验观测和数值模拟，可以得出以下结论：

• (1)
  疲劳裂纹萌生中从几何控制到微观结构控制的转变被理解为缺口引起的约束效应与微观结构非均匀性之间竞争的结果。对于尖锐缺口，

作者贡献声明

Kai-Shang Li：撰写——初稿、资金获取。Hao-Qi Fan：调查、数据整理。Yuan-Ze Tang：方法论。Ji Wang：形式分析。Yipu Xu：验证。Run-Zi Wang：撰写——审阅与编辑、资源。Kiyoaki T. Suzuki：概念构思。Yutaka S. Sato：可视化。Xian-Cheng Zhang：撰写——审阅与编辑。Shan-Tung Tu：监督指导。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到日本学术振兴会（JSPS KAKENHI，资助号：JP26KF0008）、国家自然科学基金（资助号：52505150）、上海市自然科学基金（资助号：25ZR1402586）以及东北大学2026财年的论文发表费（APC）支持项目的资助。

Kai-Shang Li|Hao-Qi Fan|Yuan-Ze Tang|Ji Wang|Yipu Xu|Run-Zi Wang|Kiyoaki T. Suzuki|Yutaka S. Sato|Xian-Cheng Zhang|Shan-Tung Tu