近日，固体力学领域顶级期刊Journal of Mechanics and Physics of Solids (JMPS)报道了我校机械与动力工程学院王润梓博士生、张显程教授等人题为“Multi-axial creep-fatigue life prediction considering history-dependent damage evolution: A new numerical procedure and experimental validation”的最新科研成果。

以航空发动机为代表的高温部件除了承受装置运行的恒定荷载，还承受装置起停和温度波动等引起的交变载荷作用，其服役过程伴随着严重的蠕变—疲劳交互作用。蠕变—疲劳指的是具有应力（或者应变）保载时间的载荷谱，即在每一个循环周期内均存在蠕变保载阶段。不同于单一机制的蠕变或者疲劳破坏，蠕变—疲劳的破坏机制往往更加复杂，沿晶—穿晶混合裂纹扩展模式大大降低了材料或者结构的使用寿命。

面向航空发动机涡轮盘关键部件寿命精准设计的迫切需求，在过去的三年中，团队成员相继建立了GH4169镍基高温合金在650 ℃下的数据库（ASME PVT, 2018; 140），发展了基于非弹性能量密度参量的寿命设计模型（Int J Fatigue, 2016; 90: 12、2017; 104: 61），澄清了载荷类型、微观组织特征以及环境氧化效应对蠕变—疲劳寿命的影响机制（Int J Fatigue, 2017; 97: 190、2019; 118: 8）。进一步提出逐循环的计算方法，构建了时间相关的蠕变—疲劳损伤评定图理论，突破了现有国际相关规范中基于半寿命周期应力—应变响应设计方法的局限性（Int J Fatigue, 2017; 97: 114）。

但是在现行的国际规范中，对于多轴蠕变—疲劳的高温部件寿命设计方法尚不成熟。针对这一问题，团队成员基于连续损伤力学，在Chaboche统一粘塑性本构方程中修正了随动强化准则以体现载荷水平对应力松弛行为的影响，从而揭示了复杂几何尺寸下的背应力演化规律及循环应力—应变响应。进一步，基于能量密度耗散准则建立了多轴应力状态下的蠕变—疲劳损伤模型，该模型综合考虑了结构中广泛存在的蠕变棘轮效应及几何不连续处应力三轴度对损伤的影响，与商用有限元软件实现了对接，应用于涡轮盘等高温真实部件的蠕变—疲劳寿命设计。此外，团队成员采用GH4169高温合金进行了一系列650℃下单边缺口蠕变—疲劳验证。模拟和试验结果一致，而且均很好地表明：几何不连续处的裂纹萌生位置依赖于载荷工况。对于以疲劳损伤为主导的工况，其裂纹通常萌生于结构的表面，而以蠕变损伤为主导的工况，其裂纹通常萌生于结构的内部（实验结果如图1、模拟结果如图2）。所以，所提出的设计方法可以很好地描述裂纹萌生的几何结构及载荷相关性。

论文第一作者是华东理工大学张显程、涂善东教授共同指导的博士研究生王润梓，通讯作者为华东理工大学郭素娟副教授及张显程教授。该研究工作得到了国家杰出青年科学基金和自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.04.016