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背景简介

控制蠕变损伤是推进各个领域创新所必须的基础技术，其对蒸汽轮机和喷气发动机等燃烧设备在更高的温度和压力下运行方面发挥着关键作用。然而，传统的基于实验数据的方法在预测长期蠕变行为方面存在局限性，这种限制源于从实验获取的蠕变数据的持续时间相对较短（通常可达约10万小时），远远低于结构的预期使用寿命（例如火电的使用寿命超过40万小时）。此外，长期蠕变测试通常在单轴拉伸载荷条件下进行，与真实结构经历的实际载荷条件不一致。由于缺乏准确代表实际场景的实验数据，经验数据驱动方法的应用具有挑战性。因此，亟须开发基于模型驱动的方法来准确评估长期蠕变行为。

蠕变损伤是一种复杂的现象，涉及多种控制机制，包括位错、晶界扩散（Coble 蠕变）和晶格扩散（Nabarro-Herring 蠕变），各种机制的相对贡献根据温度和施加的载荷条件而变化。其中位错运动通常是实验室环境中进行的短期蠕变测试中观察到的主要机制，然而在设备的实际长期运行过程中，晶界扩散往往占主导地位。在实际蠕变试验中，将Coble蠕变与位错蠕变的影响分隔开具有挑战性，建立专用于Coble蠕变的仿真模型至关重要。因此，本研究提出了一种能够在多种环境条件下，模拟具有任意多晶形貌材料的纯 Coble 蠕变变形和孔洞成核/长大的集成模型，以定量讨论环境因素和多晶形态因素对多晶固体中 Coble 蠕变变形和孔洞成核/长大的影响。

成果介绍

（1）模型的验证与试验结果一致性：本研究通过对比模型预测结果与实验结果，验证了模型的准确性。特别是在镍基合金201的蠕变试验中，模型成功模拟了孔洞的形核和长大行为。实验中使用光学显微镜分析材料的断裂表面，观测到了许多沿晶界分布的孔洞，并将试验结果与模型预测的孔洞面积分数进行了详细比较。结果表明，模型预测的二维截面孔洞面积分数与试验结果在不同角度下高度吻合。这一成果表明模型在捕捉实际多晶材料中复杂蠕变现象时具有很高的准确性。试验和模型结果的对比如图1所示。

图1 数值模拟得出的孔洞面积分数与试验结果的比较：（a）用于量化二维孔洞面积分数的代表性体积单元（Representative Volume Element, RVE）横截面，（b）晶界和孔洞的累积长度，（c）累积孔洞面积分数的试验结果与模拟结果的比较

（2）环境因素影响的量化分析：本研究通过数值模拟定量分析了环境因素对Coble蠕变及孔洞形成的影响，包括应力、温度以及应力三轴性等因素。模拟结果表明，较高的应力水平会加快蠕变变形及孔洞的成核与长大，且应力三轴性会加速孔洞长大，这与已有的经验模型结论一致。此外，温度的升高也显著加快了蠕变变形和孔洞形成的速度，温度越高，材料在相同应变下的孔洞面积分数也越大。通过上述分析，模型进一步揭示了实际工况下环境因素对蠕变损伤的影响机制。相关结果见图2，图中展示了多轴应力条件下的总孔洞面积分数变化情况。

图2 二级和三级外加应力比对Coble蠕变变形和孔洞成核/长大的影响：RVE的总孔洞面积分数随蠕变时间的变化

图3 平均晶粒尺寸对Coble蠕变变形和孔洞成核/长大的影响：RVE的总孔洞面积分数演变

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）