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背景简介

随着现代工业的迅速发展，对燃气轮机和喷气发动机等高温高压设备的服役温度和压力提出了更高的要求，更高的运行温度和压力能够显著提高设备的热效率，并减小对环境的不良影响。而实现这一目标的关键技术在于控制材料的蠕变损伤。然而，现有基于实验数据的经验方法无法有效预测材料的长期蠕变寿命，这主要是由于实验数据的时间限制（例如实验数据的持续时间最多可达约10万小时，而实际设备的使用寿命往往超过40万小时）。此外，实验条件与实际工况（如应力状态）差异较大，导致蠕变寿命预测的难度加大。因此，本文提出了一种基于微观力学建模的模型驱动方法，用于更准确地预测材料的长期蠕变性能，特别是针对Coble蠕变（以晶界扩散为主导的蠕变机制）的建模与分析。

成果介绍

（1）提出了三维多晶体固体中的Coble蠕变变形和孔洞形核/长大的模型：本研究提出了一种集成模型，用于模拟三维多晶体固体中的Coble蠕变变形和孔洞的形核及长大。该模型采用代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）方法来预测三维多晶体形貌的影响，多晶体结构示意图如图1所示。模型分为两个互相连接的阶段：蠕变变形阶段和孔洞形核/长大阶段。在变形阶段，模拟了晶界迁移和晶界扩散；而在孔洞形核/长大阶段，进行了孔洞的形核、长大和后处理计算，该研究的数值模拟计算流程如图2所示。 

图1 构成代表性体积单元的多晶体结构及其数据结构

图2 所提出集成模型的计算流程图

（2）该模型假设蠕变阶段每个晶界面的正应力是均匀的，但由于相邻晶界面的扩散通量和孔洞的存在，每个晶界面上都存在正态应力分布。这种应力分布会引起化学势梯度，从而导致晶界面上产生扩散通量。扩散通量将原子空位输送到孔洞中，导致它们的体积变化和运动。此外，原子通过孔洞表面的扩散，决定了孔洞的形状。考虑到Coble蠕变过程中孔洞长大的机理，本研究建立了一个孔洞长大模型来求解两个步骤的孔洞长大过程：(i) 晶界面上的正应力分布，(ii)孔洞的体积和形状变化、运动，示意如图3所示。

图3 孔洞形核、长大的区域和边界

（3）为了执行稳定的数值模拟计算，对相邻两个孔洞进行处理。通常，孔洞尖端的法向应力低于作用在晶界面上的平均应力，因此孔洞扩散通量的方向是从晶界到孔洞，这是Coble蠕变机制中孔洞长大的主要机制。然而，当两个孔洞的距离足够近时，作用在孔洞之间区域的应力变得几乎恒定，因此，该区域不会产生孔洞扩散通量，如图4 (a)所示。此外，相邻的孔洞几乎没有生长，而是表现出彼此之间的轻微收缩。考虑到这一结果，如果孔洞之间的距离小于a_ini，则强制将距离设置为2a_ini，并且不考虑孔洞的合并，如图4 (b)所示。

图4 所提模型的后处理:(a)两个相邻孔洞形状变化的数值估计结果，(b)两个彼此接近的孔洞和一个接近三线孔洞的处理

致谢

衷心感谢京都大学的 Takayuki Kitamura 教授、高丽大学的 Yun-Jae Kim 教授、帝京大学的 Toshimitsu Yokobori 教授和 Go Ozeki 教授，以及国立材料科学研究所的 Byung-Nam Kim 博士和 Masaaki Tabuchi 博士在讨论过程中提供的帮助。他们在整个研究过程中给予的支持和指导非常宝贵。本研究得到了 JST PRESTO（资助编号 JPMJPR2195）和 JSPS KAKENHI（资助编号 20F20364）的支持。

本期小编 王康康（整理）

董乃健（校对）

程　航（审核）

董乃健（发布）