研究背景
高温结构的长寿命安全运行与其恶劣的使用环境之间的矛盾日益突出。传统基于单一损伤驱动力模型的寿命设计方法无法有效评估多种损伤的交互作用和多尺度损伤特征，为高温结构提供准确的使用寿命。预测带来挑战；另一方面，由于实际结构存在孔洞、焊缝等几何不连续性，以及缺陷、夹杂物等材料不连续性，基于传统连续介质条件难以准确表征局部损伤状态。针对上述问题，华东理工大学李开尚博士在张先成教授和屠山东院士的指导下，系统研究了镍基高温合金在典型温度下的多损伤相互作用行为和失效机理。高温，并开发了一种基于宏观连续体-微观晶体塑性的方法。双尺度建模方法、损伤模型和寿命设计技术。一系列成果发表在International Journal of Plasticity、International Journal of Fatigue、Pressure Vessels等领域的知名期刊上。
多损伤相互作用行为和失效机制
为了探索材料在高温下的多重损伤相互作用，对GH4169合金在650℃下进行了一系列循环性能测试，如图1a-1c所示。研究发现GH4169合金在高低周混合蠕变疲劳加载条件下的循环寿命显着低于纯疲劳和蠕变疲劳加载下的循环寿命，并进一步建立了循环寿命与损伤机制的对应关系。国际疲劳杂志，161（2022）：106923；国际疲劳杂志，164（2022）：107154]。此外，采用基于晶体塑性有限元的数值方法评估了不同载荷条件下的裂纹萌生寿命（图1d-1f）。借助改进的晶体塑性模型，提出了揭示多损伤相互作用行为的指示因素[Int J Fatigue, 143(2021): 106031]。在此基础上，提出了基于微观损伤演化的寿命预测方法，并通过不同载荷条件下的大量寿命数据验证了该模型具有较高的预测精度[Int J Fatigue, 164(2022): 107154]。上述工作基于高温循环试验和晶体塑性理论，初步探索了多重损伤相互作用下实现准确寿命预测的技术方法。
图1 多损伤相互作用行为及失效机制：(a)不同加载条件； (b) GH4169合金在不同加载条件下的断裂图； (c)寿命分布图； (d)晶体塑性有限元建模方法； (e) 不同载荷条件下的损伤演变； (f) 测试寿命与预测结果的比较
双尺度损伤模型构建方法
为了满足晶体塑性模型在高温结构件中的适用性，提出基于宏观连续体-微观晶体塑性的双尺度理论模型[Int J Fatigue, 172(2023): 107621]，实现宏观几何结构件微观损伤机制的特征和定量相关性。在建模方法层面，所提出的双尺度建模方法具有较高的计算效率和损伤评估精度（图2a）。基于这种双尺度建模方法，探讨了GH4169合金晶粒取向与应力集中系数之间的协同和竞争关系。晶粒取向影响蠕变疲劳裂纹萌生的位置，局部应力集中系数影响蠕变疲劳裂纹。发芽寿命（图2b）。基于大量双尺度有限元模拟数据，建立了描述蠕变疲劳裂纹萌生行为的特征面积图，为高温构件的损伤评估提供了可靠的理论依据（图2c）。在寿命预测层面，以涡轮盘螺栓孔结构为例（图2d），所建立的双尺度理论模型不仅能够合理地反映含孔结构的蠕变疲劳裂纹萌生机制（图2d）。 . 2e)，同时也能准确预测蠕变疲劳裂纹萌生寿命(图2f)，为高温结构的寿命设计和工程应用提供重要的理论支撑[Int J Fatigue, 154(2022): 106522]。
图2(a)双尺度建模方法； (b) 晶粒取向和应力集中的共同影响； (c) 蠕变疲劳特征面积图； (d) 多孔结构的蠕变疲劳试验； (e) 损害演变规则； (f) 测试寿命与预测结果的比较
双尺度损伤理论的工程应用
表面强化技术是提高高温结构使用寿命和可靠性的重要手段。通过上述建立的双尺度理论模型，可以有效阐明表面残余应力和塑性层在强化和提高寿命中的主导机制。实验方面，通过先进的表面强化工艺，几何不连续结构的高温疲劳性能得到显着提高。模拟方面，通过双尺度损伤理论定量评估残余应力和塑性层对疲劳寿命的影响，构建考虑表面强化效应的工艺-性能-预测一体化系统（图3a）[Int J疲劳，170（2023）：107507]。此外，针对表面强化技术在改善高温结构蠕变疲劳性能方面的一定局限性，进一步发展了考虑蠕变晶界退化的双尺度建模方法（图3b）[Int J Plasticity, 165 (2023): 103601]，揭示表面强化高温结构的蠕变疲劳损伤机制（图3c）。为了实现双尺度损伤理论在表面强化中的工程应用，开发了基于双尺度损伤理论的代理模型和寿命预测系统（图3d）。
图3(a)考虑表面强化的“3P”闭环系统； (b) 双尺度建模方法； (c)蠕变疲劳寿命改善机制； (d)考虑表面强化效应的寿命预测系统
致谢
上述工作得到国家自然科学基金（51725503、U21B2077、52130511、52005185）、中国科协青年人才推进项目（YESS20200029）、日本学会JSPS特别研究员基金的资助促进科学 (21F50350)。
论文链接：
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中国结构完整性联盟是致力于结构完整性领域学术交流、科学研究、工程应用和知识传播的非营利性学术组织。其历史可以追溯到2002年，最初的发起单位是几家长期从事结构完整性工作的机构。诚信对于合作研究压力容器和管道安全技术的大学和科研院所尤为重要。 2003年，首届国际断裂力学（FM）学术研讨会在上海召开。随着学科及其应用领域的拓展，2010年，FM系列会议扩展为结构完整性国际研讨会（ISSI），由各成员单位轮流主办。 2012年11月，中国机械工程学会材料分会、压力容器分会和失效分析分会经过充分讨论和协商，决定共同发起成立中国结构完整性联盟（CSIC）。结构完整性是一个新兴的跨学科和跨领域的学科领域。研究复杂环境和荷载下不同尺度结构的承载能力、寿命和可靠性，致力于建立和优化产品全寿命过程的安全可靠性评价标准和规范。 ，服务于能源（石油天然气、电力、核能、可再生能源...）、航空航天航海、微电子制造、化工、材料、冶金、环境、土木工程等工程领域。
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