背景简介

        现代航空发动机、工业燃气机、超临界发电机等装置的工作环境日趋复杂，其中的关键限寿部件除了承受装置稳态运行的恒定荷载之外，通常还承受装置起停和温度波动等引起的交变载荷的作用，其服役过程伴随着严重的蠕变-疲劳载荷交互作用，降低了这些关键限寿部件的服役寿命。因此，为了保证关键限寿部件的安全性和可靠性，构建准确的蠕变-疲劳寿命预测模型是非常重要的。

        现今针对蠕变-疲劳损伤分析及寿命预测的方法主要借助连续损伤力学理论，这类方法侧重于宏观层面的损伤分析，无法描述微观层面的应力应变响应以及损伤机理演化。由于蠕变-疲劳裂纹萌生通常是在微观层面上，因此使用晶体塑性有限元可以精确地判定裂纹萌生以及揭示损伤机理。但是如何基于晶体塑性有限元有效地评估裂纹萌生寿命以及分析蠕变-疲劳损伤机理，是目前亟需解决的关键科学问题之一。

成果介绍

        近年来，晶体塑性有限元已经被成功地用于解释疲劳裂纹萌生机制及预测裂纹萌生寿命，但是当保载时间引入循环加载中，需要考虑蠕变-疲劳损伤的交互作用，如何基于晶体塑性有限元实现蠕变-疲劳裂纹萌生寿命的预测是目前亟待解决的问题。

        本研究采用基于晶体塑性有限元的数值方法对蠕变-疲劳裂纹萌生寿命进行预测，利用GH4169镍基合金的蠕变-疲劳试验验证了该方法的有效性。试验过程如图1所示，主要结论如下：

图1 试验过程包括原始EBSD观察、试样制备和加载波形

        (1) 在对蠕变-疲劳损伤演化定性分析的基础上，将保载阶段和加卸载阶段的非弹性滑移和能量耗散作为蠕变和疲劳的指标参数，能够合理地表征蠕变和疲劳的损伤程度，如图2所示。

图2 疲劳（Δε_t=2%）和蠕变-疲劳（Δε_t=2%，t_h=300 s）第10个循环下的非弹性滑移和能量耗散

        (2) 通过将蠕变指示参数引入现有的预测方法中，提出了一种基于晶体塑性的蠕变-疲劳寿命预测方法。预测结果和试验数据相吻合，所有预测点在±2.0倍误差带内，其中接近80%预测点在±1.5倍误差带内，如图3所示。

图3 预测结果和试验数据的对比：(a)-(b) 现有的模型；(c)-(d) 提出的模型

        该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市教委科创计划重大项目的支持，同时感谢JSPS资助的日本博士后研究金。

论文信息：Kai-Shang Li, Run-Zi Wang^*, Guang-Jian Yuan, Shun-Peng Zhu, Xian-Cheng Zhang^*, Shan-Tung Tu, Hideo Miura, A crystal plasticity-based approach for creep-fatigue life prediction and damage evaluation in a nickel-based superalloy, International Journal of Fatigue, 2021(143): 106031.