引言

高溫機(jī)械強(qiáng)度是指材料在高溫環(huán)境下承受外力作用時(shí)，保持其結(jié)構(gòu)完整性和功能穩(wěn)定性的能力，是保障高溫裝備長期安全運(yùn)行的科學(xué)基石，目前亦已成為機(jī)械強(qiáng)度學(xué)的重要分支。作為貫通工業(yè)革命與現(xiàn)代科技的關(guān)鍵學(xué)科，其研究范疇已從早期經(jīng)驗(yàn)公式拓展為多尺度 - 多損傷 - 多學(xué)科交叉的系統(tǒng)科學(xué)。伴隨著全球能源轉(zhuǎn)型與高端制造業(yè)發(fā)展，新一代高溫裝備 (如 700℃超超臨界機(jī)組、釷基熔鹽堆、第五代航空發(fā)動(dòng)機(jī)等) 正走向極端化、復(fù)雜化、長壽命化，將高溫機(jī)械強(qiáng)度研究推向新的歷史關(guān)口 [1]。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度本身是一個(gè)古老的命題，早在文藝復(fù)興時(shí)期達(dá)?芬奇 (Leonardo da Vinci) 的鐵絲拉伸試驗(yàn)、胡克 (Robert Hooke) 提出的描述材料彈性行為的胡克定律和 17 世紀(jì)伽利略 (Galileo Galilei) 關(guān)于斷裂強(qiáng)度的論述中就已萌芽。第一次工業(yè)革命時(shí)期，人們更加關(guān)注材料強(qiáng)度并構(gòu)建了上百種強(qiáng)度模型，使機(jī)械強(qiáng)度學(xué)成為 20 世紀(jì)工業(yè)繁榮的重要基礎(chǔ)。1910 年英國物理學(xué)家 Andrade 對(duì)金屬的高溫蠕變進(jìn)行了系統(tǒng)研究，提出了第一個(gè)蠕變經(jīng)驗(yàn)公式 [2]。在同一時(shí)期，耐熱鋼和高速鋼被用于蒸汽機(jī)鍋爐和切削工具，體現(xiàn)出提升高溫強(qiáng)度的工程需求。

第二次世界大戰(zhàn)推動(dòng)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等尖端武器的發(fā)展，高溫機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)入應(yīng)用起步階段。英國工程師 Whittle 于 1930 年提出噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，1939 年德國 Heinkel 公司成功試飛了世界首架噴氣飛機(jī)。為支撐噴氣和活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，英國成功研制出 Nimonic 系列鎳基高溫合金，用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。德國開發(fā)了用于渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的鉻鎳耐熱合金，但受材料性能的限制，其噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命較短。美國雖然在二戰(zhàn)前噴氣技術(shù)上起步較晚，但通過引進(jìn)英國 Whittle 發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)并投入大量科研，很快在高溫合金的研制上取得了進(jìn)展。在此背景下，“高溫機(jī)械強(qiáng)度” 這一概念首次在工程實(shí)踐中得到體現(xiàn)，成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)。此外，戰(zhàn)爭需求還催生了早期火箭發(fā)動(dòng)機(jī)耐熱材料和高性能炮管鋼等的研發(fā)。在這一階段，高溫機(jī)械強(qiáng)度的 “歷史使命” 主要體現(xiàn)在滿足國防尖端裝備的迫切需求。高溫強(qiáng)度理論盡管尚處于經(jīng)驗(yàn)探索階段，但為后續(xù)的理論發(fā)展和工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在冷戰(zhàn)時(shí)期，高溫機(jī)械強(qiáng)度材料的發(fā)展進(jìn)入了快速進(jìn)步與理論奠基的階段。軍備競賽推動(dòng)了噴氣航空、導(dǎo)彈和核能等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，同時(shí)，民用航空和電力工業(yè)也蓬勃興起。隨著服役溫度的不斷升高，各國紛紛研制新一代高溫合金。在此背景下，“超合金”(Superalloy) 一詞被正式提出，用以描述那些能夠在中溫環(huán)境中長期保持強(qiáng)度的合金材料 [3]。美國在此階段建立了系統(tǒng)的材料研究體系，并于 20 世紀(jì) 40 至 50 年代先后研制出 Inconel、Hastelloy 和 René 等多種系列高溫合金。與此同時(shí)，先進(jìn)冶金工藝如真空熔煉技術(shù)的引入，顯著提升了合金的純凈度與高溫服役性能。英國的羅爾斯?羅伊斯公司和國家物理實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)引領(lǐng)發(fā)動(dòng)機(jī)材料改進(jìn)，開發(fā)出 Nimonic 80A 等時(shí)效沉淀硬化的鎳基合金，有效提升了渦輪盤和葉片在高溫下的服役性能。核能領(lǐng)域同樣推動(dòng)了高溫材料的發(fā)展。美國和英國的第一代核反應(yīng)堆在壓力容器和換熱器上開始采用高溫耐蝕合金，法國也在其氣冷反應(yīng)堆中應(yīng)用了高溫石墨和合金材料。在此階段，高溫機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)理論開始發(fā)展。1952 年，美國工程師 Larson 與 Miller 提出了用于蠕變壽命預(yù)測(cè)的時(shí)間 - 溫度等效參數(shù)關(guān)系，即著名的 Larson-Miller 參數(shù) [4]。該時(shí)期還出現(xiàn)了將塑性變形與高溫蠕變行為統(tǒng)一描述的重要理論突破。1956 年 Prager 建立了塑性 - 蠕變統(tǒng)一的本構(gòu)關(guān)系模型 [5]，標(biāo)志著高溫強(qiáng)度理論開始由經(jīng)驗(yàn)規(guī)律向系統(tǒng)化、理論化的方向發(fā)展。上述理論進(jìn)展從模型構(gòu)建與機(jī)制揭示兩方面，促進(jìn)了高溫機(jī)械強(qiáng)度學(xué)科體系的初步形成。進(jìn)入 20 世紀(jì) 70 年代，高溫機(jī)械強(qiáng)度領(lǐng)域步入材料與工藝雙重成熟的發(fā)展階段，多種先進(jìn)制造技術(shù)與新型高溫材料相繼涌現(xiàn)。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，西方國家率先引入定向凝固與單晶葉片技術(shù)，以提升發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率與服役壽命。值得注意的是，此階段高溫材料的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步拓展。民用發(fā)電領(lǐng)域中，超臨界與超超臨界火力發(fā)電技術(shù)相繼發(fā)展，對(duì)材料的高溫強(qiáng)度與抗氧化性能提出更高要求。為滿足蒸汽溫度超過 600℃的運(yùn)行條件，美國率先開發(fā)了以 P91 鋼為代表的 9%~12% Cr 系耐熱鋼；隨后德國與日本等國家聯(lián)合優(yōu)化形成了性能更優(yōu)的 P92 鋼，廣泛應(yīng)用于高溫高壓鍋爐與蒸汽輸送管道系統(tǒng)中 [6]。在核能領(lǐng)域，隨著核電商業(yè)化進(jìn)程的加快，美國、蘇聯(lián)、英國及法國等國家相繼建造快中子增殖堆等高溫反應(yīng)堆試驗(yàn)裝置，對(duì)結(jié)構(gòu)材料在高溫與輻照協(xié)同作用下的性能提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。這一背景下，科研人員系統(tǒng)開展了奧氏體不銹鋼與耐熱合金的力學(xué)性能與輻照損傷機(jī)制研究，推動(dòng)高溫核材料理論與設(shè)計(jì)方法的快速發(fā)展。例如，1978 年，法國科學(xué)家 Chaboche 提出非線性循環(huán)硬化模型，能更精確地描述高溫下循環(huán)塑性變形的記憶效應(yīng)，并被納入法國核工業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范，用于反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 [7]。

21 世紀(jì)以來，高溫機(jī)械強(qiáng)度在世界范圍內(nèi)進(jìn)入了多元化應(yīng)用的階段。一方面，隨著高端民用高溫裝備需求的快速增長，高溫材料開始在能源裝備、工業(yè)汽輪機(jī)、高速列車等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。另一方面，伴隨新型航空航天計(jì)劃和聚變能源等前沿概念的提出，對(duì)材料在超高溫、熱沖擊和輻照環(huán)境下的力學(xué)性能提出了挑戰(zhàn)，促使高溫機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)的研究向更嚴(yán)苛的方向延伸。近年來，中國在高溫機(jī)械強(qiáng)度理論革新的活躍期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)重大工程技術(shù)突破。2019 年，國內(nèi)首座鉛鉍合金冷卻快堆零功率裝置 “啟明星 Ⅲ 號(hào)” 首次實(shí)現(xiàn)臨界，完成了關(guān)鍵工程技術(shù)的驗(yàn)證，標(biāo)志著我國在液態(tài)金屬冷卻堆技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了由基礎(chǔ)研究向工程化應(yīng)用的實(shí)質(zhì)性跨越。2023 年，液態(tài)燃料釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆獲得國家核安全局頒發(fā)的運(yùn)行許可證，成為全球首個(gè)獲準(zhǔn)運(yùn)行的釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆，為未來第四代核能系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要的試驗(yàn)基礎(chǔ)。同時(shí)，國產(chǎn)大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)完成首次掛飛試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為后續(xù)適航認(rèn)證與型號(hào)定型奠定了基礎(chǔ)。2024 年，功率等級(jí)達(dá)到 300MW 的 F 型重型燃?xì)廨啓C(jī)在上海臨港實(shí)現(xiàn)首次點(diǎn)火，標(biāo)志著我國在高端能源動(dòng)力裝備領(lǐng)域取得階段性突破，整機(jī)已進(jìn)入試驗(yàn)驗(yàn)證階段。然而，這些重大成果的商業(yè)化落地仍需時(shí)間。從試驗(yàn)驗(yàn)證到工程化應(yīng)用，再到規(guī)模化商業(yè)運(yùn)行，往往存在顯著的時(shí)間滯后。例如，釷基熔鹽實(shí)驗(yàn)堆仍處于試驗(yàn)運(yùn)行階段，其關(guān)鍵材料與系統(tǒng)的長期可靠性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。鉛鉍快堆計(jì)劃于 2025 年前后建成示范堆，但距離實(shí)際商用仍需跨越多個(gè)技術(shù)門檻。國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)雖已完成掛飛試驗(yàn)，但按照民航適航流程，預(yù)計(jì)在 2025 年以后方可實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用。重型燃?xì)廨啓C(jī)雖已成功點(diǎn)火，但完整驗(yàn)證流程尚需覆蓋帶負(fù)荷試驗(yàn)、耐久性測(cè)試與工程化樣機(jī)運(yùn)行，商業(yè)化進(jìn)程尚需數(shù)年。上述 “技術(shù)成熟 - 工程應(yīng)用” 之間的滯后性，體現(xiàn)了高溫機(jī)械強(qiáng)度理論在工程化路徑中的關(guān)鍵轉(zhuǎn)化瓶頸。一方面，理論模型為材料設(shè)計(jì)與服役安全提供科學(xué)依據(jù)，是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)；另一方面，理論模型的實(shí)際應(yīng)用必須經(jīng)過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證與工程審評(píng)流程，才能納入工程設(shè)計(jì)規(guī)范。需要強(qiáng)調(diào)的是，近十年來國際主流的高溫強(qiáng)度理論框架變化不大。國外工程界仍主要依賴既有的高溫設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停谥T如 ASME、R5 和 RCC-MRx 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中沿用。這些傳統(tǒng)方法大多基于 20 世紀(jì)奠定的蠕變破損理論和經(jīng)驗(yàn)壽命公式，強(qiáng)調(diào)安全裕度和保守設(shè)計(jì)。因此，在現(xiàn)有國際規(guī)范體系下，高溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的演進(jìn)相對(duì)緩慢。

為應(yīng)對(duì)新一代高溫服役系統(tǒng)日益復(fù)雜的運(yùn)行工況與性能要求，高溫強(qiáng)度研究正經(jīng)歷范式層面的深刻轉(zhuǎn)型。這一轉(zhuǎn)型主要體現(xiàn)在 3 個(gè)方面：其一，多尺度耦合的系統(tǒng)建模成為核心趨勢(shì)。材料從原子尺度的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與晶格重構(gòu)，到微觀組織中的孔洞演化與裂紋萌生，再到宏觀結(jié)構(gòu)的失效行為，呈現(xiàn)出高度非線性與尺度聯(lián)動(dòng)特征。多種計(jì)算方法的融合，如分子動(dòng)力學(xué)、晶體塑性理論與相場方法，正共同推動(dòng)跨尺度力學(xué)模型體系的構(gòu)建；其二，多機(jī)制協(xié)同損傷逐漸成為強(qiáng)度預(yù)測(cè)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。高溫環(huán)境下常見的蠕變、疲勞、氧化、腐蝕、輻照等損傷模式往往交叉疊加、相互耦合，導(dǎo)致傳統(tǒng)單一機(jī)制模型難以準(zhǔn)確刻畫真實(shí)失效路徑。這一背景下，面向演化過程的三維損傷映射、高階能量耗散理論以及裂紋局域拘束分析等前沿理論不斷拓展力學(xué)建模邊界；其三，多學(xué)科融合驅(qū)動(dòng)壽命評(píng)估模式重構(gòu)。物理建模與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法正加速集成，人工智能、感知技術(shù)與高性能計(jì)算的協(xié)同應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)狀態(tài)識(shí)別、剩余壽命評(píng)估與服役行為預(yù)測(cè)提供了新范式，標(biāo)志著壽命管理正在由靜態(tài)評(píng)估向動(dòng)態(tài)感知與智能決策轉(zhuǎn)型。

基于這一變革背景，本文圍繞高溫結(jié)構(gòu)的損傷演化機(jī)制與壽命建模問題展開系統(tǒng)探討，回顧該領(lǐng)域理論體系的演進(jìn)脈絡(luò)，結(jié)合近年來在蠕變 - 疲勞耦合行為、非比例載荷響應(yīng)建模、多源損傷互作機(jī)制、裂紋尖端力學(xué)場精細(xì)解析、試樣尺度效應(yīng)與結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的研究進(jìn)展，提出面向未來的 “多尺度 - 多機(jī)制 - 多學(xué)科” 一體化研究框架，旨在推動(dòng)高溫強(qiáng)度理論從科學(xué)探索向工程應(yīng)用的有效躍遷，為極端服役條件下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、評(píng)估與壽命保障提供堅(jiān)實(shí)理論支撐與方法論基礎(chǔ)。

1、科學(xué)文獻(xiàn)計(jì)量與研究熱點(diǎn)演化

1.1 論文發(fā)表情況

在過去 25 年中，研究人員圍繞高溫變形與損傷、高溫疲勞與斷裂、高溫氧化與腐蝕等關(guān)鍵問題開展了系統(tǒng)性研究，相關(guān)成果持續(xù)積累，研究熱度不斷上升。基于 Web of Science 數(shù)據(jù)庫 [檢索式：(creep OR viscoelastic* OR viscoplastic* OR deformation OR strain OR inelastic OR fatigue OR failure OR damage OR fracture OR corrosion OR oxidation) AND (“high temperature”) NOT (“high temperature processing”)]，圖 1 (a) 顯示了 2000-2025 年該領(lǐng)域研究論文的發(fā)表趨勢(shì)。截至 2025 年 5 月，共檢索到相關(guān)學(xué)術(shù)論文 109617 篇，年均發(fā)表量持續(xù)上升，近年已超過每年 8000 篇，呈現(xiàn)出近似指數(shù)增長的趨勢(shì)。這表明，該研究方向正逐漸成為材料與工程科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。圖 1 (b) 展示了檢索到的高溫機(jī)械強(qiáng)度相關(guān)論文按學(xué)科領(lǐng)域分類的情況。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該領(lǐng)域研究主要集中在材料科學(xué) (Materials science) 與工程技術(shù) (Engineering) 兩個(gè)學(xué)科范疇，合計(jì)占比約 97%。其中，約 52% 的論文歸屬至 “材料科學(xué) - 綜合” 類別。該分布反映出，高溫機(jī)械強(qiáng)度研究具有鮮明的材料與工程并重的特征，即在關(guān)注高溫材料變形行為與損傷機(jī)制的同時(shí)，同樣重視工程結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)與服役可靠性分析。圖 1 (b) 中，由于同一篇論文可能屬于多個(gè)學(xué)科門類，故論文總占比高于 100%。

1.2 重要影響工作分析

為進(jìn)一步分析近 25 年疲勞領(lǐng)域的重要影響工作，從 2000-2025 年發(fā)表的 109617 篇論文中，使用 CiteSpace 軟件對(duì)引用量靠前的 5000 篇論文進(jìn)行分析。從圖 2 可以清晰地觀察到該領(lǐng)域技術(shù)路線與研究重心的階段性演進(jìn)。1999-2007 年，研究主要聚焦于蠕變 (Creep)、超塑性變形 (Superplastic deformation)、晶界滑移 (Grain boundary sliding) 和塑性變形 (Plastic deformation) 等基礎(chǔ)變形機(jī)制，反映出學(xué)術(shù)界對(duì)材料在高溫條件下時(shí)間依賴性變形行為的深入探索。2005-2015 年，研究熱點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向宏觀結(jié)構(gòu)性能與完整性評(píng)估，裂紋擴(kuò)展 (Crack growth)、單晶材料 (Single crystals)、多軸應(yīng)力 (Multiaxial stress)、疲勞強(qiáng)度 (Fatigue strength)、應(yīng)力強(qiáng)度因子 (Stress intensity factor) 以及本構(gòu)方程 (Constitutive equations) 等關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，標(biāo)志著多尺度建模與工程化分析的初步融合。2010 年之后，隨著高溫服役環(huán)境的復(fù)雜化，研究進(jìn)一步拓展至環(huán)境效應(yīng)相關(guān)議題，環(huán)境 (Environment)、高溫腐蝕 (High-temperature corrosion) 與電子顯微技術(shù) (Electron microscopy) 等關(guān)鍵詞的活躍，表明多學(xué)科交叉成為研究的重要趨勢(shì)。2021 年以來，微觀組織演化 (Microstructural evolution) 與失效機(jī)制 (Failure mechanism) 等關(guān)鍵詞的持續(xù)升溫，反映出當(dāng)前研究正由微觀機(jī)制理解向全壽命預(yù)測(cè)建模邁進(jìn)，強(qiáng)調(diào)從組織演化到宏觀失效的多尺度關(guān)聯(lián)機(jī)制。總體來看，高溫機(jī)械強(qiáng)度研究正從基礎(chǔ)機(jī)制分析向結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估和失效預(yù)測(cè)不斷深化，多學(xué)科融合與數(shù)字化建模成為未來發(fā)展的關(guān)鍵方向。

圖 3 展示了 2000-2025 年高溫機(jī)械強(qiáng)度研究領(lǐng)域的關(guān)鍵詞聚類時(shí)序圖 (Cluster timeline view)。圖中每個(gè)聚類均以 “# 編號(hào)”+“主題名稱” 標(biāo)識(shí)，直觀呈現(xiàn)出不同研究主題的演化路徑及其時(shí)間跨度，進(jìn)一步揭示了該領(lǐng)域在不同階段的研究重心和發(fā)展軌跡。相較前文的關(guān)鍵詞熱點(diǎn)演化圖，從多尺度、多損傷、多學(xué)科的視角出發(fā)，進(jìn)一步強(qiáng)化了高溫機(jī)械強(qiáng)度領(lǐng)域的知識(shí)結(jié)構(gòu)與技術(shù)演進(jìn)脈絡(luò)。其中，壽命預(yù)測(cè) (Life prediction) 是目前最活躍且持續(xù)時(shí)間最長的聚類。該聚類涵蓋 Creep、Fatigue、Damage、Model 等核心詞匯，重點(diǎn)在于復(fù)雜載荷與環(huán)境下的壽命預(yù)測(cè)模型構(gòu)建，是該領(lǐng)域從機(jī)制認(rèn)知向結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估與工程應(yīng)用過渡的關(guān)鍵支撐。應(yīng)力腐蝕裂紋 (Stress corrosion crack) 聚焦于材料在腐蝕介質(zhì)與高溫耦合作用下的斷裂行為，標(biāo)志著研究范式從單一力學(xué)損傷機(jī)制擴(kuò)展至多物理場耦合損傷 (化 - 力 - 環(huán)境) 體系，突出環(huán)境因素在材料失效過程中的關(guān)鍵作用。高溫變形 (High-temperature deformation) 是早期基礎(chǔ)研究的代表性主題，關(guān)鍵詞如 Creep rate、Grain boundary、Diffusion 等表明，其聚焦微觀變形機(jī)制與晶界行為。該聚類構(gòu)成了構(gòu)建本構(gòu)關(guān)系和損傷演化模型的理論基礎(chǔ)，呼應(yīng)了高溫材料研究初期的學(xué)術(shù)主軸。力學(xué)性能 (Mechanical properties) 貫穿多個(gè)研究階段，關(guān)注疲勞強(qiáng)度、延展性與應(yīng)力響應(yīng)等宏觀性能指標(biāo)，是材料選型、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則制定與安全裕度評(píng)估的核心依據(jù)，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)材料性能向結(jié)構(gòu)性能跨尺度映射的關(guān)鍵橋梁。蠕變裂紋擴(kuò)展 (Creep crack growth) 作為連接蠕變、斷裂與壽命評(píng)估的關(guān)鍵橋梁，體現(xiàn)了多損傷耦合條件下裂紋擴(kuò)展機(jī)制的研究重點(diǎn)，關(guān)鍵詞如 Crack tip 與 Void nucleation 反映出微觀損傷與宏觀破壞的緊密耦合關(guān)系。該聚類在核能與高溫機(jī)械裝備等長期服役結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有重要工程價(jià)值。高溫氧化 (High-temperature oxidation) 強(qiáng)調(diào)氧化層形成與演化對(duì)材料力學(xué)性能的影響，特別是在如鉛鉍冷卻堆、氣冷堆等極端服役環(huán)境中。該聚類的興起表明高溫化學(xué)環(huán)境對(duì)材料行為的耦合影響正成為新興研究熱點(diǎn)，推動(dòng)壽命評(píng)估方法向多損傷協(xié)同演化機(jī)制拓展。高溫材料 (High-temperature materials) 聚類涵蓋 Nickel-based alloys、ODS steels 等關(guān)鍵詞，重點(diǎn)關(guān)注材料成分優(yōu)化、組織演化機(jī)制與服役性能提升，體現(xiàn)出材料設(shè)計(jì)與服役適應(yīng)性的雙向驅(qū)動(dòng)關(guān)系。該主題橫跨整個(gè)研究周期，構(gòu)成高溫機(jī)械強(qiáng)度技術(shù)演進(jìn)的材料基礎(chǔ)。電子顯微技術(shù) (Electron Microscopy, EM) 突顯了微觀機(jī)制研究手段的不斷演進(jìn)。透射電鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM) 與電子背散射衍射 (Electron Back Scatter Diffraction, EBSD) 等先進(jìn)表征技術(shù)在揭示組織演化、位錯(cuò)行為與孔洞形成機(jī)制中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為多尺度建模與損傷機(jī)制精細(xì)表征提供了技術(shù)支撐，是實(shí)現(xiàn)微觀 - 宏觀關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵抓手。

綜上所述，該聚類時(shí)序圖與關(guān)鍵詞熱點(diǎn)演化圖互為印證，共同描繪出高溫機(jī)械強(qiáng)度研究自 2000 年以來的發(fā)展脈絡(luò)：從基礎(chǔ)的高溫變形機(jī)制研究 (#2、#3)，逐步轉(zhuǎn)向多損傷耦合機(jī)制探索 (#1、#4、#5)，最終走向以壽命預(yù)測(cè)為核心的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估體系 (#0)，并由微觀技術(shù)手段 (#7) 提供支撐。這一演化路徑充分體現(xiàn)了本領(lǐng)域多尺度 (從位錯(cuò)機(jī)制到服役壽命)、多損傷 (蠕變、疲勞、腐蝕、氧化) 與多學(xué)科 (材料、力學(xué)、環(huán)境、表征) 融合發(fā)展的顯著特征，為高溫服役材料的可靠性設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

2、多尺度建模與損傷機(jī)制

2.1 多尺度力學(xué)

多尺度損傷力學(xué)旨在從不同空間尺度出發(fā)研究材料的力學(xué)行為與損傷演化，尤其在高溫結(jié)構(gòu)分析中，常從納觀、微觀、宏觀及結(jié)構(gòu)四個(gè)尺度展開，如圖 4 所示。當(dāng)前研究主要集中于并聯(lián)式與串聯(lián)式兩類多尺度建模策略。并聯(lián)式方法在各尺度上同步進(jìn)行力學(xué)與損傷分析，通過多尺度對(duì)照揭示變形與失效機(jī)制，主要適用于定性研究。盡管微納尺度表征與模擬可有效揭示損傷機(jī)制 [8-9]，但難以實(shí)現(xiàn)對(duì)工程部件的定量壽命預(yù)測(cè)。為克服上述限制，研究者提出串聯(lián)式多尺度方法。該方法通過微納尺度模擬獲取關(guān)鍵損傷參量，并將其傳遞至更高尺度模型，建立微觀損傷與宏觀壽命之間的映射關(guān)系 [10-11]；或反向利用宏觀尺度變形場，將其作為微尺度模擬的邊界條件，從而實(shí)現(xiàn)更真實(shí)的多尺度耦合仿真 [12]。分子動(dòng)力學(xué)基于原子間相互作用，能揭示材料結(jié)構(gòu)演化和損傷過程，但受限于計(jì)算時(shí)空尺度及試驗(yàn)驗(yàn)證困難，難以直接用于高溫部件的壽命設(shè)計(jì)。晶體塑性有限元可從材料微結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析局部損傷行為并預(yù)測(cè)宏觀性能，近年來已廣泛用于高溫結(jié)構(gòu)壽命建模 [13-14][15] 165-177 [16] 196-213。宏觀連續(xù)介質(zhì)模型則擅長描述結(jié)構(gòu)件的整體應(yīng)力 - 應(yīng)變狀態(tài)與損傷演化，不僅計(jì)算效率高，適用于工程壽命評(píng)估 [17-18]，還可實(shí)現(xiàn)高溫部件的薄弱區(qū)識(shí)別，為微觀模擬提供邊界條件。

2.2 多尺度力學(xué)在高溫機(jī)械強(qiáng)度中的進(jìn)展

在高溫機(jī)械強(qiáng)度領(lǐng)域中，目前主流方法是將宏觀連續(xù)介質(zhì)理論與晶體塑性理論相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)多尺度有限元模擬。在材料層面，多尺度模擬方法被廣泛用于分析金屬材料內(nèi)部典型缺陷對(duì)裂紋萌生行為的影響。非金屬夾雜、微缺口、氣孔等制造過程中不可避免的微觀缺陷，尤其在粉末冶金合金及增材制造材料中表現(xiàn)尤為突出，已被廣泛認(rèn)為是導(dǎo)致疲勞失效的關(guān)鍵誘因 [19-21]。針對(duì)上述問題，多種多尺度建模方法被發(fā)展以揭示缺陷主導(dǎo)下的疲勞損傷機(jī)制。例如，構(gòu)建局部晶體塑性 - 全局連續(xù)介質(zhì)耦合模型，可有效模擬含非金屬夾雜材料的疲勞行為。仿真結(jié)果顯示，裂紋往往起始于基體與夾雜物界面，該區(qū)域因應(yīng)力集中嚴(yán)重，疊加晶粒取向效應(yīng)，易激活多個(gè)滑移系，進(jìn)而引發(fā)裂紋萌生 [22]。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，夾雜物的剛度、尺寸、熱膨脹系數(shù)及其空間分布等因素顯著影響裂紋形成過程。有限元模擬表明，相較于內(nèi)部缺陷，位于材料表面的夾雜更易成為裂紋起始源 [23]。此外，圖 5 顯示了采用晶體塑性 - 彈塑性多尺度建模方法，可深入解析增材制造鎳基合金中的疲勞行為及損傷演化機(jī)制，并結(jié)合疲勞指示因子實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑與壽命的高精度預(yù)測(cè) [15] 165-177。在結(jié)構(gòu)層面，多尺度模型同樣展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠揭示復(fù)雜構(gòu)件在高溫載荷下的局部損傷機(jī)制。例如，將晶體塑性有限元與內(nèi)聚區(qū)模型相結(jié)合的方法，成功模擬了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子榫槽區(qū)域在蠕變條件下的晶間裂紋擴(kuò)展過程，如圖 5 所示 [16] 196-213。

結(jié)果顯示，預(yù)設(shè)初始裂紋可在滿足結(jié)構(gòu)整體變形協(xié)調(diào)性的前提下抑制裂紋蔓延，有效延緩構(gòu)件的失效進(jìn)程。此外，基于多尺度數(shù)值模擬方法還可描述高溫交變載荷作用下的微觀組織退化與損傷演化過程，并實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵部位應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)的精確預(yù)測(cè) [24]。該類方法在提高仿真精度的同時(shí)，促進(jìn)了微觀組織行為與宏觀性能之間的有效耦合。總體來看，面向工程的多尺度損傷分析不僅能全面反映高溫結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)行為，還可識(shí)別關(guān)鍵區(qū)域的微觀損傷機(jī)制。然而，由于模型耦合復(fù)雜、計(jì)算成本高、多物理場邊界條件設(shè)置困難等問題，當(dāng)前尚難在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。為此，近年來基于代理模型的快速優(yōu)化方法逐步發(fā)展。此類方法通過高精度模型生成的樣本點(diǎn)訓(xùn)練近似模型，在保持物理可解釋性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)計(jì)算，尤其適用于高維、強(qiáng)非線性、多尺度耦合問題 [25][26] 106677。代理模型為高溫結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估與設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了有效手段，推動(dòng)了多尺度損傷理論向工程應(yīng)用的實(shí)質(zhì)轉(zhuǎn)化。

2.3 進(jìn)展 1：基于小試樣的材料高溫力學(xué)性能測(cè)試方法

在高溫裝備服役環(huán)境日益復(fù)雜的背景下，材料服役性能的精準(zhǔn)建模與可靠性評(píng)估面臨多重挑戰(zhàn)。為建立貫穿微觀機(jī)制與宏觀響應(yīng)的多尺度建模體系，獲取高質(zhì)量本構(gòu)參數(shù)成為基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。其中，小尺寸試樣測(cè)試方法憑借其微創(chuàng)性、高通量和適應(yīng)復(fù)雜取樣環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，正日益成為力學(xué)建模、損傷分析與壽命預(yù)測(cè)中的關(guān)鍵支撐手段。近年來，國際上高度重視小試樣技術(shù)的發(fā)展。歐盟標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) (European Committee for Standardization, CEN) 專門成立了小試樣工作組 (Small Specimen Test Technique, SSTT)，推動(dòng)該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)與學(xué)術(shù)交流，并在聚變能源計(jì)劃 (如國際聚變能源研究中心) 中將其列為核心研究內(nèi)容。美國、日本等國家亦在核能、先進(jìn)材料等領(lǐng)域深入布局小試樣測(cè)試方法的研發(fā)，如美國能源部支持的納米強(qiáng)化鋼計(jì)劃、日本原子能機(jī)構(gòu) (Japan Atomic Energy Agency, JAEA) 推動(dòng)的國際聚變材料照射設(shè)施 (International Fusion Materials Irradiation Facility, IFMIF) 工程等。英國等國更在此基礎(chǔ)上發(fā)展出適用于蠕變性能評(píng)估的新型構(gòu)型，如圓環(huán)、橢圓環(huán)、矩形框等試樣形式，力圖實(shí)現(xiàn)高溫多機(jī)制服役行為的可靠捕捉。

由于小試樣尺寸不符合常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)試樣的尺寸要求，測(cè)試結(jié)果必須經(jīng)過換算才能轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)試樣的材料力學(xué)性能。因此，建立載荷與應(yīng)力、位移 (應(yīng)變) 或位移速率 (應(yīng)變速率) 的關(guān)系是獲得與標(biāo)準(zhǔn)試樣等量材料力學(xué)性能的關(guān)鍵。過去多用微懸臂梁來測(cè)量微觀的材料力學(xué)性能，其轉(zhuǎn)換關(guān)系是顯然的。近年來，針對(duì)蠕變速率、持久強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能的測(cè)量，發(fā)展了各種小試樣方法，如四周固定、中心受圓壓頭作用的圓片試樣 (小沖桿試樣)，四周固定、中心受平壓頭作用的圓片試樣 (剪切沖壓)，兩端支撐、中心受彎的直桿試樣 (三點(diǎn)彎)，中心受壓的厚圓片試樣 (壓痕)，一端固定、另一端受彎的直桿試樣 (懸臂梁)，兩端固定、中間受彎的直桿試樣 (固支直桿彎曲)，雙向受拉的圓形環(huán)試樣，雙向受拉的雙桿試樣，四周固定、中心受氣壓作用的圓片試樣 (氣壓鼓脹試樣)，等等，如圖 6 所示。理論分析及試驗(yàn)研究結(jié)果均表明，上述小試樣方法在一定范圍內(nèi)均可用于測(cè)試材料的高溫力學(xué)性能。

趙杰教授團(tuán)隊(duì)開展了小試樣的高溫蠕變性能表征 [27]。試驗(yàn)結(jié)果表明，小試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣在持久蠕變曲線和蠕變速率曲線方面呈現(xiàn)出相似的演化趨勢(shì)：持久蠕變曲線呈單調(diào)遞增，最終斷裂；蠕變速率曲線呈典型 “U” 形分布。隨加載應(yīng)力增大，小試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的持久壽命均呈下降趨勢(shì)，蠕變速率增加；但在相同應(yīng)力下，小試樣的斷裂應(yīng)變與持久壽命往往優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)試樣 (圖 7 和圖 8)。此外，小試樣與標(biāo)準(zhǔn)試樣的最小蠕變速率變化趨勢(shì)一致，Monkman-Grant 關(guān)系曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下表現(xiàn)出良好的線性相關(guān)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了小試樣在獲取蠕變速率參數(shù)方面的可行性。

盡管技術(shù)進(jìn)展顯著，小試樣測(cè)試仍面臨若干核心挑戰(zhàn)。其受力狀態(tài)復(fù)雜、尺寸與幾何形狀效應(yīng)顯著，導(dǎo)致變形過程呈現(xiàn)彎曲、拉伸、塑性與蠕變行為的高度耦合，難以準(zhǔn)確分辨測(cè)試誤差的來源，影響結(jié)果的可靠性與重復(fù)性。此外，目前尚缺乏統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)性的統(tǒng)計(jì)誤差評(píng)估方法，限制了其在高溫結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)和概率安全評(píng)估中的工程應(yīng)用。

2.4 進(jìn)展 2：形狀記憶合金熱 - 力耦合細(xì)觀力學(xué)行為研究

形狀記憶合金是一類重要的智能材料，因其特有的超彈性和形狀記憶效應(yīng)而受到廣泛關(guān)注，并成功應(yīng)用于航空航天、微電子系統(tǒng)、汽車工業(yè)、土木工程、生物醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。另外，相較于其他類型材料，形狀記憶合金在變形過程中伴隨著極大的等溫熵變和絕熱溫變，因而在固態(tài)制冷等新技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出非常好的發(fā)展?jié)摿Α?gòu)建精確描述形狀記憶合金在熱 - 力載荷作用下變形行為的本構(gòu)關(guān)系是對(duì)該類合金進(jìn)行材料微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能提升以及相關(guān)器件服役性能評(píng)估的重要基礎(chǔ)。

眾所周知，形狀記憶合金的超彈性和形狀記憶效應(yīng)來源于其熱 - 彈性馬氏體相變機(jī)制。另外，該合金在實(shí)際服役過程中常常涉及循環(huán)變形、寬溫域以及多種變形幅值。試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)變形過程中產(chǎn)生的相變誘發(fā)塑性機(jī)制，高溫環(huán)境下誘發(fā)的奧氏體塑性機(jī)制以及高應(yīng)力下誘發(fā)的馬氏體塑性機(jī)制也是該合金幾類重要的非彈性變形機(jī)制。這些非彈性變形機(jī)制的交互作用使得形狀記憶合金在變形過程中出現(xiàn)顯著的功能性退化現(xiàn)象，對(duì)相關(guān)本構(gòu)模型的構(gòu)建帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了描述寬溫域、不同應(yīng)變幅值下 NiTi 形狀記憶合金的循環(huán)變形行為，SONG 等 [28] 建立了一個(gè)基于 ESHELBY 夾雜理論的細(xì)觀本構(gòu)模型。該模型全面地考慮了馬氏體相變、相變誘發(fā)塑性、奧氏體塑性和馬氏體塑性機(jī)制，并在代表性體積單元上引入了奧氏體相區(qū)域、馬氏體相區(qū)域以及兩相之間的界面區(qū)域。通過夾雜理論來度量兩相交互作用和界面區(qū)域的高局部應(yīng)力。該模型對(duì)不同峰值應(yīng)變和環(huán)境溫度下 NiTi 形狀記憶合金循環(huán)變形行為的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖 9 所示。由預(yù)測(cè)結(jié)果可知，該模型很好地捕捉到了形狀記憶合金功能性循環(huán)退化隨峰值應(yīng)變和環(huán)境溫度增加而加劇的現(xiàn)象。

形狀記憶合金中的馬氏體相變是典型的一級(jí)相變。一方面，相變的臨界應(yīng)力強(qiáng)烈依賴于環(huán)境溫度；另一方面，相變過程中涉及潛熱的釋放與吸收，導(dǎo)致變形過程中材料溫度產(chǎn)生明顯變化。以上兩種因素相互作用，使得形狀記憶合金的變形行為呈現(xiàn)出顯著的率相關(guān)性，即熱 - 力耦合效應(yīng)。這種熱 - 力耦合效應(yīng)有別于常規(guī)金屬中因位錯(cuò)滑移的黏性導(dǎo)致的塑性變形對(duì)加載率的依賴性。SONG 等 [29] 在上述細(xì)觀力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮了變形過程中內(nèi)部熱源的演化及材料與外界的熱交換，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了 NiTi 形狀記憶合金的率相關(guān)循環(huán)變形行為。

形狀記憶合金在變形過程中涉及溫度變化這一現(xiàn)象也被稱為彈熱效應(yīng)，是該合金能夠應(yīng)用于新型固態(tài)制冷技術(shù)的重要基礎(chǔ)。為了闡明形狀記憶合金的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和宏觀變形、制冷性能之間的定量關(guān)系，ZHOU 等 [30]、YU 等 [31-32] 在晶體塑性理論框架下建立了熱 - 力耦合細(xì)觀本構(gòu)模型，揭示了晶粒取向、分布形式、多晶織構(gòu)對(duì)形狀記憶合金宏觀變形以及彈熱效應(yīng)的影響，如圖 10 所示。由此可見，細(xì)觀力學(xué)模型除了能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)宏觀性能之外，還能很好地反映關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，從而為形狀記憶合金器件的材料結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2.5 進(jìn)展 3：基于雙尺度建模方法的壽命預(yù)測(cè)

在結(jié)構(gòu)尺度上，螺栓孔、焊接接頭等幾何不連續(xù)區(qū)域通常被視為材料力學(xué)性能退化和裂紋擴(kuò)展加速的薄弱部位 [33-35]。為構(gòu)建材料尺度與結(jié)構(gòu)尺度之間的有效關(guān)聯(lián)，近年來發(fā)展出多種雙尺度建模方法及相應(yīng)的損傷演化理論框架 [36-37]。本節(jié)以含孔結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于所建立的雙尺度模型，系統(tǒng)揭示其在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的蠕變 - 疲勞損傷機(jī)制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)裂紋萌生壽命的高精度預(yù)測(cè)。

圖 11 展示了基于雙尺度建模方法的含孔試樣蠕變 - 疲勞壽命預(yù)測(cè)的總體流程。在該建模框架中，不同尺度下的本構(gòu)模型與有限元模型承擔(dān)不同功能：黏塑性模型與晶體塑性模型用于描述鎳基合金的應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)；代表性體積單元 (Representative Volume Element, RVE) 與含孔試樣的有限元模型分別用于模型參數(shù)標(biāo)定與壽命預(yù)測(cè)分析。具體流程包括以下幾個(gè)步驟：首先，在宏觀尺度上構(gòu)建基于用戶子程序的黏塑性模型，通過 RVE 模擬確定材料本構(gòu)參數(shù)，并建立含孔試樣的有限元模型，用于模擬其在蠕變 - 疲勞載荷下的應(yīng)力 - 應(yīng)變場響應(yīng)。其次，在微觀尺度下，基于晶體塑性模型構(gòu)建有限元模擬體系，并以宏觀有限元模型輸出的孔根位移場作為邊界條件，實(shí)現(xiàn)孔根部局部微觀力學(xué)響應(yīng)的精細(xì)模擬。最后，結(jié)合線性損傷疊加準(zhǔn)則，綜合應(yīng)力 - 應(yīng)變循環(huán)信息，完成對(duì)裂紋萌生壽命的預(yù)測(cè)，進(jìn)而揭示含孔結(jié)構(gòu)在多軸應(yīng)力作用下的蠕變 - 疲勞損傷機(jī)制。

從宏觀尺度分析，圖 12 (a) 展示了含孔試樣的累積疲勞與蠕變損傷隨循環(huán)周次演化的分布特征，結(jié)果表明，損傷總量與循環(huán)次數(shù)之間近似成線性。其中，疲勞損傷對(duì)保載時(shí)間不敏感，而蠕變損傷隨保載時(shí)間延長顯著增加。在微觀尺度上，圖 12 (b) 給出了累積能量耗散隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢(shì)，結(jié)果顯示最大能量耗散區(qū)域位于孔洞根部外若干晶粒尺度范圍內(nèi)。該模擬結(jié)果與試驗(yàn)中觀察到的晶內(nèi)平均取向差 (Kernel Average Misorientation, KAM) 分布趨勢(shì)高度一致，均顯示最大值集中于次表面晶粒區(qū)域，且最大累積能量耗散值隨循環(huán)周次呈線性增長趨勢(shì)。基于宏微觀損傷演化趨勢(shì)的一致性，以 100 周次內(nèi)的宏觀損傷增長規(guī)律為基礎(chǔ)，可為更高周次微觀損傷的預(yù)測(cè)提供有效參考，進(jìn)而彌補(bǔ)晶體塑性有限元計(jì)算在長壽命模擬中的時(shí)空尺度局限。

在損傷壽命預(yù)測(cè)中，采用線性損傷疊加準(zhǔn)則，當(dāng)累積疲勞與蠕變損傷之和達(dá)到 1 時(shí)，即可獲得材料的蠕變 - 疲勞壽命。盡管不同尺度下?lián)p傷計(jì)算方式存在差異，但均基于統(tǒng)一的線性疊加準(zhǔn)則進(jìn)行壽命判定。圖 13 所示為基于黏塑性模型與晶體塑性模型得到的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果，絕大多數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)位于 2 倍誤差帶范圍內(nèi)，驗(yàn)證了宏觀與微觀建模方法在壽命預(yù)測(cè)上的一致性。綜合考慮計(jì)算效率與精度，宏觀尺度預(yù)測(cè)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中具有更高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。所構(gòu)建的雙尺度建模體系在科學(xué)與工程兩個(gè)層面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：一方面，可用于揭示梯度組織結(jié)構(gòu)、微觀缺陷等因素對(duì)材料性能的影響機(jī)制；另一方面，基于宏觀有限元的薄弱區(qū)識(shí)別與微觀晶體塑性模型的局部損傷機(jī)制分析的結(jié)合，為高溫關(guān)鍵構(gòu)件的失效預(yù)測(cè)與壽命延長提供了可靠的理論依據(jù)與建模路徑。

2.6 進(jìn)展 4：雙尺度建模方法在梯度微觀結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

表面強(qiáng)化技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種通過改善機(jī)械零件和結(jié)構(gòu)件表面性能，從而提高材料疲勞強(qiáng)度的工藝方法。由于其成本低、效率高、收益高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，這類工藝在國內(nèi)外的高溫機(jī)械強(qiáng)度領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。表面強(qiáng)化工藝包括很多種，常見有冷擠壓強(qiáng)化 [38]、噴丸強(qiáng)化 [39-40]、超聲滾壓強(qiáng)化 [41] 和水射流強(qiáng)化 [42-43] 等。已有研究基于全尺寸建模方法建立了葉片榫齒與輪盤榫槽的接觸模型，結(jié)果表明，多種表面強(qiáng)化工藝可在接觸區(qū)域引入有利的殘余壓應(yīng)力場，有效降低局部接觸應(yīng)力峰值，從而顯著減緩輪盤榫槽部位的損傷積累與失效風(fēng)險(xiǎn) [44]。此外，金屬材料表面納米化相關(guān)研究系統(tǒng)揭示了表層結(jié)構(gòu)演化機(jī)制與加工誘導(dǎo)的微觀組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，明確了納米尺度結(jié)構(gòu)特征在提升材料疲勞性能方面的關(guān)鍵作用，為高溫服役構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與壽命提升提供了理論依據(jù)與技術(shù)路徑 [45-47]。已有研究通過模擬孔擠壓等強(qiáng)化過程獲得殘余應(yīng)力分布，并將其引入傳統(tǒng)的宏觀多軸疲勞預(yù)測(cè)模型中，實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè) [48]，但未能揭示強(qiáng)化材料在疲勞加載過程中的具體損傷機(jī)制。其他研究將噴丸等強(qiáng)化工藝引入鎳基高溫合金中，將殘余應(yīng)力場嵌入裂紋擴(kuò)展模型，有效預(yù)測(cè)了試樣在高 - 低周疲勞載荷下的裂紋擴(kuò)展行為 [49]。然而，僅考慮殘余應(yīng)力的建模方法在揭示強(qiáng)化 - 損傷耦合機(jī)制方面仍存在局限。為提升壽命預(yù)測(cè)的物理準(zhǔn)確性與機(jī)制解釋力，需將微觀梯度組織的影響納入壽命評(píng)估框架中。一種路徑是在多晶體建模中引入應(yīng)力 - 應(yīng)變均勻化假設(shè)，以刻畫晶粒間相互作用對(duì)宏觀響應(yīng)的影響 [50]；另一種方法則通過引入疲勞指示因子，將微觀組織演化與局部損傷行為耦合，以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)化的壽命預(yù)測(cè)與損傷評(píng)估 [51-53]。

同樣以含孔結(jié)構(gòu)為例，通過冷擠壓強(qiáng)化工藝提升其疲勞壽命。為探索疲勞壽命提升的機(jī)制并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)，本研究提出了一種同時(shí)考慮殘余應(yīng)力和塑性層影響的雙尺度建模方法。圖 14 給出了宏 - 微觀雙尺度建模方法的總體流程框架。在宏觀尺度上，構(gòu)建兩個(gè)不同的有限元模型以實(shí)現(xiàn)冷擠壓強(qiáng)化過程及循環(huán)加載的模擬；在微觀尺度上，基于晶體塑性的疲勞指示因子計(jì)算疲勞損傷和預(yù)測(cè)壽命。考慮表面強(qiáng)化效應(yīng)的雙尺度建模方法具體包括三大模塊：模塊 Ⅰ 為冷擠壓強(qiáng)化有限元模擬；模塊 Ⅱ 為宏觀尺度含孔結(jié)構(gòu)有限元模擬；模塊 Ⅲ 為晶體塑性有限元模擬。基于這三大模塊，可以構(gòu)建考慮表面強(qiáng)化效應(yīng)的含孔結(jié)構(gòu)雙尺度有限元模型，通過這種雙尺度建模方法可以精準(zhǔn)地描述殘余應(yīng)力和塑性層對(duì)疲勞損傷的影響。

表面強(qiáng)化誘導(dǎo)的塑性層在疲勞壽命提升中也起到重要作用。通常而言，塑性層的存在可以抑制試樣表面的疲勞裂紋萌生 [54-56]。本節(jié)同時(shí)使用試驗(yàn)觀察的疲勞斷口和預(yù)測(cè)的累積能量耗散探究孔根部塑性層對(duì)疲勞壽命提升的影響。圖 15 (a) 給出了原始含孔試樣的疲勞斷口形貌，其中區(qū)域 A 和 B 顯示了兩個(gè)明顯的裂紋萌生位置，滑移帶在試樣表面的侵入 - 擠出過程導(dǎo)致裂紋萌生于試樣表面。相應(yīng)的，基于雙尺度建模方法的微觀模擬結(jié)果可以很好地預(yù)測(cè)原始含孔試樣的疲勞裂紋萌生行為。含孔試樣經(jīng)過冷擠壓強(qiáng)化后，試樣表面的塑性層有助于抑制疲勞裂紋的萌生和滑移帶的形成，如圖 15 (b) 所示，強(qiáng)化含孔試樣的疲勞裂紋萌生于次表面，即塑性層和材料基體的交界處。

圖 16 給出了試驗(yàn)壽命和預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比。從圖 16 (a) 可以看出，使用傳統(tǒng)多軸疲勞模型對(duì)原始和強(qiáng)化含孔試樣進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí)，其預(yù)測(cè)的結(jié)果較差，如基于史密斯 - 沃森 - 托珀 (Smith-Watson-Topper, SWT) 參數(shù)預(yù)測(cè)的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)落在 10 倍的誤差帶以內(nèi)，基于改進(jìn)型疲勞當(dāng)量應(yīng)力準(zhǔn)則 (Improved Fatigue Equivalent Stress Criterion, IFERC) 的壽命預(yù)測(cè)能力好于 SWT 參數(shù)，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在 3 倍的誤差帶以內(nèi)。但是基于 SWT 和修正廣義應(yīng)力 - 應(yīng)變幅 (Modified Generalized Stress-Strain Amplitude, MGSA) 參數(shù)的整體預(yù)測(cè)結(jié)果有一個(gè)相同的規(guī)律，即針對(duì)強(qiáng)化試樣的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果較為保守，這是由于這兩種宏觀尺度的預(yù)測(cè)方法未考慮塑性層對(duì)疲勞壽命的影響，導(dǎo)致 SWT 和 MGSA 參數(shù)在低應(yīng)力水平的預(yù)測(cè)壽命和試驗(yàn)壽命之間產(chǎn)生了一定保守性的差距。圖 16 (b) 顯示了所提出方法的壽命預(yù)測(cè)精度。從圖 16 (b) 可以看出，通過同時(shí)考慮殘余應(yīng)力和塑性層的雙尺度建模方法可以獲得更加準(zhǔn)確的壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。所有數(shù)據(jù)點(diǎn) (每個(gè)含孔試樣包含取向集 S?、S?和 S?，共計(jì) 3 種模擬策略) 均落在 3 倍的誤差帶以內(nèi)，且大約 88% 的數(shù)據(jù)均落在 2 倍的誤差帶以內(nèi)，表明微觀結(jié)構(gòu)和晶粒取向?qū)ζ趬勖A(yù)測(cè)的影響在可接受的誤差范圍內(nèi)。

3、多機(jī)制耦合損傷與壽命預(yù)測(cè)

3.1 多損傷評(píng)定

傳統(tǒng)的連續(xù)損傷力學(xué)理論多聚焦于單一損傷模式的建模與分析，如塑性、蠕變、疲勞或脆性損傷。然而，隨著高溫重大裝備的發(fā)展，其服役環(huán)境日益趨向高溫、高壓及多物理場耦合等極端復(fù)雜工況，導(dǎo)致材料在長期服役過程中面臨多種損傷機(jī)制的共同作用，如高溫氧化、環(huán)境腐蝕及氫脆等 [57-58]。這些多源損傷模式之間的相互作用顯著加劇了材料力學(xué)性能的退化，特別是在強(qiáng)度與延性方面，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力與服役可靠性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn) [59]。以能源發(fā)電裝備為代表的高溫工程系統(tǒng)中，諸如鍋爐、蒸汽管道等關(guān)鍵部件在高溫高壓蒸汽環(huán)境下長期運(yùn)行，常面臨由蠕變、疲勞及環(huán)境作用共同驅(qū)動(dòng)的多機(jī)制損傷累積問題。尤其是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、鍋爐本體和高溫蒸汽輸送管道等重要承壓構(gòu)件，在持續(xù)高溫高壓載荷作用下極易發(fā)生不可逆的蠕變變形，該類變形通常具有隱蔽性和不可恢復(fù)性，一旦失效將可能引發(fā)嚴(yán)重的系統(tǒng)性安全事故 [60]。隨著可再生能源在電力系統(tǒng)中滲透率的不斷提升，其輸出功率的間歇性與波動(dòng)性對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)調(diào)度能力提出了更高要求，深度調(diào)峰技術(shù)作為調(diào)節(jié)火電機(jī)組靈活性的關(guān)鍵手段，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷平衡和提升能源利用效率具有重要意義 [61]。該技術(shù)通過頻繁調(diào)整機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以響應(yīng)電網(wǎng)波動(dòng)，在提升系統(tǒng)靈活性的同時(shí)，也顯著增加了機(jī)組啟停頻率。每一次啟停過程均伴隨著劇烈的熱 - 力載荷波動(dòng)，進(jìn)而誘發(fā)設(shè)備構(gòu)件在高溫多軸應(yīng)力狀態(tài)下的顯著疲勞損傷。此外，蒸汽溫度、壓力和流速的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)一步加劇了構(gòu)件表面與內(nèi)部的熱疲勞響應(yīng) [62]。值得注意的是，鍋爐、汽輪機(jī)、熱交換器及蒸汽管道等部件在服役過程中不可避免地暴露于高溫富氧環(huán)境中，長期氧化反應(yīng)將導(dǎo)致材料表層逐漸減薄、力學(xué)性能下降，進(jìn)而誘發(fā)裂紋的萌生與擴(kuò)展，嚴(yán)重威脅構(gòu)件的結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命 [63]。蠕變、疲勞與氧化等損傷機(jī)制在高溫服役條件下呈現(xiàn)出明顯的交互耦合特征，構(gòu)成高溫構(gòu)件失效的主要根源，因此，深入開展蠕變 - 疲勞 - 氧化耦合作用下的材料失效機(jī)制研究，對(duì)提升火電機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性具有重要工程價(jià)值。此外，發(fā)電裝備中的關(guān)鍵部件普遍存在初始微裂紋、孔洞或其他制造缺陷，在多機(jī)制耦合作用下，這些缺陷的擴(kuò)展行為將顯著加速，進(jìn)而可能引發(fā)構(gòu)件早期失效，甚至造成系統(tǒng)級(jí)故障 [64][65] 19-64。

3.2 多損傷評(píng)定在高溫機(jī)械強(qiáng)度中的進(jìn)展

高溫環(huán)境下的蠕變 - 疲勞損傷通常會(huì)帶來力學(xué)性能的顯著下降，常通過拉伸試驗(yàn)獲得材料的基本力學(xué)性能，用于支撐高溫部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)與制造 [66]。但此類性能指標(biāo)易受循環(huán)載荷過程中材料軟化或硬化行為的影響，難以作為統(tǒng)一的退化評(píng)估參量適用于不同材料和加載路徑下的退化行為描述。例如，P92 鋼在蠕變 - 疲勞壽命分?jǐn)?shù)增加的過程中表現(xiàn)出強(qiáng)度下降趨勢(shì) [67]，而 316 型奧氏體不銹鋼則在循環(huán)加載中呈現(xiàn)出強(qiáng)度增強(qiáng)的趨勢(shì) [68]。此外，一些常規(guī)力學(xué)參量 (如彈性模量) 對(duì)疲勞或蠕變 - 疲勞損傷的敏感性較低，通常僅在最終失效前數(shù)個(gè)循環(huán)內(nèi)才出現(xiàn)快速下降 [69]，這限制了其在早期損傷評(píng)估中的實(shí)用性。近年來，研究提出采用拉伸塑性應(yīng)變能密度作為性能退化的表征指標(biāo)之一，顯示出一定的潛力 [70]，但其在蠕變 - 疲勞耦合條件下的適用性仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。與此同時(shí)，已有研究嘗試從微觀尺度出發(fā)，通過微觀組織演化行為識(shí)別材料的不同損傷等級(jí) [71-72]，為多損傷分級(jí)提供了新的思路。然而，單一依賴宏觀力學(xué)性能或微觀結(jié)構(gòu)特征作為損傷判斷依據(jù)，可能導(dǎo)致對(duì)在役材料真實(shí)損傷狀態(tài)的片面理解。因此，建立微觀結(jié)構(gòu)演化與宏觀力學(xué)性能退化之間的耦合映射模型，是構(gòu)建多尺度損傷分級(jí)評(píng)價(jià)方法的關(guān)鍵路徑，不僅有助于提升損傷判定的準(zhǔn)確性，也進(jìn)一步豐富了工程損傷力學(xué)的理論體系。目前，在疲勞及蠕變 - 疲勞服役條件下，該類多尺度映射模型尚處于探索階段，仍需進(jìn)一步系統(tǒng)構(gòu)建與驗(yàn)證。

對(duì)于更為復(fù)雜的 “蠕變 - 疲勞 - 氧化” 多損傷交互機(jī)制，已有試驗(yàn)研究表明：在鎳基高溫合金中，氧化沿晶界的擴(kuò)展行為與滑移帶的交互可導(dǎo)致疲勞裂紋的早期萌生，表明氧化在疲勞損傷機(jī)制中具有重要作用 [73]。相關(guān)研究指出，氧化層的形成與生長會(huì)顯著增強(qiáng)材料局部區(qū)域的脆性，進(jìn)而促進(jìn)蠕變 - 疲勞裂紋的快速生成 [65] 19-64。在單晶高溫合金中觀察到，高溫氧化引起的局部組織退化顯著降低了疲勞裂紋萌生壽命，最高可達(dá) 1/3 [74]。在 600℃溫度下進(jìn)行的 IN 718 合金保載蠕變 - 疲勞試驗(yàn)顯示，碳化物粒子在高溫下易發(fā)生優(yōu)先氧化，誘發(fā)微裂紋的形成，加速了裂紋的萌生過程并縮短了整體壽命 [75]。對(duì)奧氏體不銹鋼 Alloy 709 開展的蠕變 - 疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，在 750℃高溫條件下，表面氧化開裂程度與裂紋密度明顯高于 650℃，反映出氧化環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的強(qiáng)化作用 [76]。在 900℃溫度下的 Alloy 617 合金試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著保載時(shí)間延長，氧化作用逐漸向材料內(nèi)部滲透，促使晶間形成細(xì)小脆性裂紋，導(dǎo)致蠕變 - 疲勞壽命明顯降低 [77]。進(jìn)一步的研究表明，在 950℃和保載時(shí)間長達(dá) 9000s 的蠕變 - 疲勞條件下，試樣表面晶界發(fā)生嚴(yán)重氧化，裂紋提前萌生且以沿晶路徑擴(kuò)展。隨著氧化裂紋的深入發(fā)展，該過程與內(nèi)部蠕變沿晶裂紋發(fā)生合并，最終形成由氧化與蠕變共同主導(dǎo)的沿晶斷裂失效模式 [78]。在 2.25Cr-1Mo-0.25V 鋼中觀察到，表面氧化層的形成同樣加速了疲勞裂紋的萌生，導(dǎo)致壽命顯著降低 [79]。對(duì)于 Haynes 282 合金的蠕變 - 疲勞測(cè)試顯示，高溫氧化促使試樣表面形成多個(gè)裂紋源，加快了裂紋擴(kuò)展與失效過程 [80]。在 700℃下對(duì) Sanicro 25 奧氏體不銹鋼的試驗(yàn)中，采用聚焦離子束技術(shù)對(duì)失效機(jī)制進(jìn)行微觀分析發(fā)現(xiàn)，表面晶界首先發(fā)生氧化，隨后在蠕變 - 疲勞耦合作用下發(fā)生開裂，形成早期裂紋。隨著保載時(shí)間的延長，晶界氧化和開裂的趨勢(shì)增強(qiáng)，并在材料內(nèi)部形成典型的楔形開裂結(jié)構(gòu)。蠕變引起的晶界滑移在晶界氧化的協(xié)同作用下進(jìn)一步加劇裂紋萌生，表現(xiàn)出典型的多損傷機(jī)制交互特征 [81]。此外，相關(guān)研究指出，鎳基合金的低周疲勞壽命不僅受控于滑移模式，也受氧化行為顯著影響。在較低溫度下，材料微觀結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，氧化作用較弱，疲勞壽命主要受控于變形機(jī)制；而在中溫環(huán)境下，盡管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性仍可保持，但環(huán)境腐蝕性增強(qiáng)，晶界氧化及氧化物開裂成為疲勞壽命降低的主因；當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，氧化作用急劇加劇，疲勞壽命表現(xiàn)出強(qiáng)烈的對(duì)氧化損傷的依賴性 [82]。

3.3 進(jìn)展 1：應(yīng)力應(yīng)變混合控制蠕變 - 疲勞載荷下的損傷失效機(jī)制

掌握高溫裝備損傷演化規(guī)律的前提是在試驗(yàn)中有效模擬實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的真實(shí)承載狀態(tài)。現(xiàn)有試驗(yàn)載荷主要沿用各類試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的傳統(tǒng)形式 [83-84]，如應(yīng)變控制蠕變 - 疲勞載荷，與工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際受載情況存在顯著差異。通常，頻繁的啟停過程所引起的溫度波動(dòng)，會(huì)使高溫部件處于應(yīng)變控制的疲勞載荷狀態(tài) [85-86]；而在裝備長期穩(wěn)定運(yùn)行階段，恒定的內(nèi)壓或離心力又使其承受恒應(yīng)力控制的蠕變載荷作用。因此，實(shí)驗(yàn)室采用的傳統(tǒng)應(yīng)變控制蠕變 - 疲勞試驗(yàn)難以高保真地再現(xiàn)服役高溫結(jié)構(gòu)的真實(shí)承載特點(diǎn)。此外，在傳統(tǒng)應(yīng)變控制載荷下，由于應(yīng)力松弛，所引入的蠕變損傷隨保載時(shí)間延長逐漸趨于飽和，難以誘發(fā)長時(shí)服役造成的蠕變損傷主導(dǎo)的蠕變 - 疲勞失效 [87-88]。鑒于此，本節(jié)以應(yīng)力應(yīng)變混合控制蠕變 - 疲勞載荷為研究對(duì)象，系統(tǒng)地揭示應(yīng)力應(yīng)變混合控制下典型高溫材料的蠕變 - 疲勞損傷失效機(jī)制。

圖 17 給出了新型應(yīng)力應(yīng)變混合控制下蠕變 - 疲勞載荷的加載歷史及典型滯回曲線。其中，綠線代表應(yīng)變控制階段，紅線代表應(yīng)力控制階段。疲勞加載階段，混合控制載荷以恒定的應(yīng)變速率加載到規(guī)定的應(yīng)變幅值；待達(dá)到峰值應(yīng)變后，加載方向反轉(zhuǎn)，以相同的應(yīng)變速率進(jìn)行卸載，同時(shí)監(jiān)控應(yīng)力，待達(dá)到保載應(yīng)力時(shí)，載荷控制模式由應(yīng)變控制切換為應(yīng)力控制，并進(jìn)行恒應(yīng)力保載。應(yīng)力保載期間，材料承受純?nèi)渥?- 載荷作用，蠕變應(yīng)變隨著時(shí)間增加；保載結(jié)束后，控制模式再次切換回應(yīng)變控制，以相同的應(yīng)變速率卸載至預(yù)設(shè)的應(yīng)變幅值，如此進(jìn)行周期性加載。

根據(jù)上述應(yīng)力應(yīng)變混合控制的載荷模式，通過調(diào)整應(yīng)變幅值、保載應(yīng)力和保載時(shí)間可以獲得馬氏體耐熱鋼不同損傷主導(dǎo)的失效模式，如圖 18 所示。當(dāng)應(yīng)變幅值較大、保載應(yīng)力較小、保載時(shí)間較短時(shí)，馬氏體鋼呈現(xiàn)出多源起裂的特征，表面裂紋數(shù)量眾多且分叉明顯，裂紋擴(kuò)展路徑復(fù)雜，材料內(nèi)部的馬氏體板條趨于均勻化，這主要?dú)w因于強(qiáng)烈的蠕變和疲勞交互作用；相反的，當(dāng)應(yīng)變幅值較小、保載應(yīng)力較大、保載時(shí)間較長時(shí)，材料內(nèi)部的板條結(jié)構(gòu)消失，蠕變孔洞顯著增多，由蠕變孔洞導(dǎo)致的試樣表面裂紋鈍化成為蠕變損傷主導(dǎo)失效的重要特征。

基于應(yīng)力應(yīng)變混合控制蠕變 - 疲勞載荷可靈活控制保載應(yīng)力的特點(diǎn)，衍生出應(yīng)力過載與混合控制蠕變 - 疲勞相結(jié)合的載荷譜，以模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)單發(fā)失效的極端工況。應(yīng)力過載階段引入的過量塑性變形將顯著縮短鎳基合金后續(xù)的服役壽命。微觀層面上，過載期間劇烈的晶內(nèi)滑移不僅導(dǎo)致晶界處位錯(cuò)塞積與應(yīng)力集中，還會(huì)產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)缺陷，從而促進(jìn) δ 相形核。在隨后的蠕變 - 疲勞過程中，δ 相的形態(tài)演變與晶界應(yīng)力集中效應(yīng)相互協(xié)同，顯著加速蠕變孔洞的形核與裂紋擴(kuò)展速率，最終導(dǎo)致材料損傷的快速累積，如圖 19 所示。

3.4 進(jìn)展 2：考慮力學(xué)性能退化的損傷分級(jí)評(píng)價(jià)方法

高溫構(gòu)件在服役過程中面臨長期高溫與交變載荷的共同作用，蠕變 - 疲勞已成為其主要失效模式之一。在這一過程中，材料的力學(xué)性能隨服役時(shí)間逐步退化，表現(xiàn)為強(qiáng)度、塑性、延性等關(guān)鍵參數(shù)的下降 [89]。然而，現(xiàn)有多數(shù)損傷模型與損傷累積準(zhǔn)則通常基于材料初始力學(xué)性能進(jìn)行構(gòu)建，未能充分考慮性能退化對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估造成的非保守性影響，尤其在蠕變 - 疲勞耦合作用下，缺乏對(duì)退化程度明確且連續(xù)的判定標(biāo)準(zhǔn)，限制了損傷狀態(tài)的動(dòng)態(tài)評(píng)估與精準(zhǔn)判定。

考慮力學(xué)性能退化的推薦的損傷分級(jí)評(píng)價(jià)方法流程圖如圖 20 所示。首先，通過疲勞、蠕變及蠕變 - 疲勞試驗(yàn)，建立傳統(tǒng)的損傷累積準(zhǔn)則，分別獲取各類載荷作用下的材料參數(shù)，進(jìn)而繪制二維損傷交互作用圖，并基于工程安全性選取適當(dāng)?shù)睦鄯e準(zhǔn)則邊界。其次，定義能夠表征材料力學(xué)性能退化的損傷變量，通常通過不同壽命階段的中斷試驗(yàn)結(jié)合拉伸試驗(yàn)獲取應(yīng)力 - 應(yīng)變能量變化，并構(gòu)建退化變量與壽命分?jǐn)?shù)之間的函數(shù)關(guān)系，由此擬合出材料的退化演化規(guī)律，形成描述不同加載條件下材料性能衰減的退化包絡(luò)線。最后，基于性能退化變量的演化趨勢(shì)，將材料服役過程劃分為多個(gè)損傷等級(jí)，并將退化包絡(luò)線與二維損傷準(zhǔn)則結(jié)合，構(gòu)建三維損傷分級(jí)評(píng)價(jià)圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同損傷階段的可視化判定和分級(jí)評(píng)估，為高溫結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)與安全設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

為了綜合表示拉伸力學(xué)性能在疲勞及蠕變 - 疲勞過程中的退化程度，采用拉伸塑性應(yīng)變能密度 (U_T) 對(duì)力學(xué)性能退化進(jìn)行統(tǒng)一參數(shù)化表征。U_T 被定義為真實(shí)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線所包圍的塑性變形面積，其代表了材料在變形過程中吸收能量的能力： 

式中， ε p 為真實(shí)塑性應(yīng)變； ε 1 為真實(shí)斷裂應(yīng)變； σ為與塑性應(yīng)變對(duì)應(yīng)的真實(shí)應(yīng)力。以 GH4169 合金為例，U_T 隨著壽命分?jǐn)?shù)的演化情況如圖 21 (a) 所示。U_T 呈現(xiàn)了兩階段的下降，包括穩(wěn)定下降階段和快速下降階段，并且具有明顯的載荷相關(guān)性。材料退化過程可以視為 U_T 的不可逆耗散，直至達(dá)到失效的臨界值。因此，從能量角度出發(fā)，用以表征材料退化的損傷變量 D_m 可以合理地定義為已耗散應(yīng)變能密度與初始應(yīng)變能密度的比值： 

式中， U T (0) 和 U T (N) 分別為初始的和第 N 個(gè)循環(huán)周次的應(yīng)變能密度。圖 21 (b) 展示了 GH4169 合金的損傷變量 D_m 隨著壽命分?jǐn)?shù)的演化情況，D_m 的增長速率均隨著壽命分?jǐn)?shù)的增加而逐漸加快。此外，隨著應(yīng)變幅值和保載時(shí)間的增加，D_m 的增長速率也會(huì)加快。這表明，D_m 具有載荷相關(guān)的特性。為了方便工程應(yīng)用并統(tǒng)一描述所有材料的損傷，采用簡單的冪指數(shù)函數(shù)對(duì) D_m 與壽命分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系進(jìn)行擬合。根據(jù)能量失效準(zhǔn)則，D_m 的臨界值被設(shè)為 1，因此擬合公式可表示為： 

式中，m 為通過擬合得到的指數(shù)。擬合結(jié)果和 m 的數(shù)值如圖 21 (b) 所示，擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。為便于工程應(yīng)用及考慮載荷相關(guān)性的影響，根據(jù)冪指數(shù) m 與載荷水平、保載時(shí)間之間的關(guān)系，確定 m 的最大值 m_max。m_max 對(duì)應(yīng)的曲線定義為材料退化包絡(luò)線，其下方的部分被視為安全設(shè)計(jì)區(qū)域。

在安全評(píng)估中，需要考慮適用于特定材料及損傷模型的有效損傷累積準(zhǔn)則。基于能量密度耗散的損傷模型，線性損傷累積 (Linear Damage Summation, LDS) 準(zhǔn)則、雙線性損傷累積 (Bilinear Damage Summation, BDS) 準(zhǔn)則和非線性損傷累積 (Nonlinear Damage Summation, NDS) 準(zhǔn)則被廣泛采用。然而，上述準(zhǔn)則中的閾值通常設(shè)定為常數(shù)，忽略了材料力學(xué)性能退化的影響，這可能存在不保守?fù)p傷評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)。前期研究表明，在應(yīng)變能密度耗散模型框架下，GH4169 合金適用于 NDS 準(zhǔn)則。GH4169 合金考慮力學(xué)性能退化的修正 NDS 準(zhǔn)則可以表示為： 

式中，Dc 為蠕變損傷；Df 為疲勞損傷。

根據(jù)材料退化包絡(luò)線上 Dm 的增長速率，將材料退化過程劃分為 I~IV 4 個(gè)等級(jí)，包括 Dm 無明顯變化的階段 (I 級(jí))，Dm 逐漸增加的階段 (II 級(jí))，Dm 加速增加的階段 (III 級(jí))，最后快速失效的階段 (IV 級(jí))。將 Df、Dc 和 Dm 作為 3 個(gè)坐標(biāo)軸，生成 GH4169 合金的退化包絡(luò)面，構(gòu)建三維損傷分級(jí)評(píng)價(jià)圖，如圖 22 所示。其中紫色、綠色、黃色和紅色分別代表 I~IV 級(jí)。為了更清楚地說明每個(gè)損傷級(jí)別下的安全區(qū)域，蠕變損傷 D_c 和疲勞損傷 D_f 的坐標(biāo)軸采用了對(duì)數(shù)坐標(biāo)。計(jì)算得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于包絡(luò)面之外，證明了三維損傷分級(jí)評(píng)價(jià)圖的可用性。

3.5 進(jìn)展 3：蠕變 - 疲勞 - 氧化損傷評(píng)定與壽命預(yù)測(cè)

針對(duì)高溫服役環(huán)境中氧化對(duì)蠕變 - 疲勞性能造成的不利影響，已有研究提出了一系列壽命預(yù)測(cè)方法，用于評(píng)估氧化作用對(duì)材料服役壽命的削弱效應(yīng)。在定性分析方面，有觀點(diǎn)認(rèn)為，當(dāng)氧化損傷在損傷機(jī)制中占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，裂紋萌生階段會(huì)大幅提前，從而使蠕變 - 疲勞裂紋的萌生壽命幾乎可以忽略不計(jì) [90]。部分早期模型并未顯式引入氧化損傷項(xiàng)，而是將其影響隱含地嵌入至蠕變或疲勞損傷中，通過參數(shù)修正反映氧化帶來的性能退化 [91-92]。在基于線性損傷累積準(zhǔn)則的方法框架下，部分模型通過引入 “壽命縮減比” 來量化氧化的影響，在蠕變 - 疲勞壽命預(yù)測(cè)中展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性 [93]。相關(guān)研究還通過簡化并修正已有的蠕變 - 疲勞 - 氧化損傷模型，使其適用于定向凝固鎳基合金的裂紋萌生壽命分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，預(yù)測(cè)壽命普遍落于 2 倍誤差帶內(nèi)，驗(yàn)證了模型的可靠性 [94]。另有研究將該類模型嵌入結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)蠕墨鑄鐵材料制備的氣缸蓋部件進(jìn)行三維蠕變 - 疲勞 - 氧化損傷分析，所得模擬結(jié)果與實(shí)際失效形貌高度吻合，且成功預(yù)測(cè)出構(gòu)件潛在的失效位置 [95]。也有模型通過引入獨(dú)立的氧化損傷子項(xiàng)，對(duì)蠕變 - 疲勞 - 氧化 3 種機(jī)制的演化過程進(jìn)行聯(lián)合建模，提升了預(yù)測(cè)的系統(tǒng)性與精度 [96]。此外，課題組前期基于應(yīng)變能密度耗竭理論，建立了面向裂紋萌生階段

的壽命預(yù)測(cè)模型，將氧化損傷與機(jī)械損傷的累積過程耦合考慮，在多種材料體系下均獲得了良好的試驗(yàn)一致性 [97]。

圖 23 (a) 詳細(xì)展示了氧化損傷模型建立的示意圖，氧化損傷是以試樣承載能力的降低來定義的。如圖 23 (b) 所示，氧化損傷程度可通過氧化損傷區(qū)域 (氧化膜及受氧化影響區(qū)域) 的面積與試樣或部件橫截面積的比值來表征。本節(jié)所研究的 P92 鋼在高溫空氣下的氧化膜表現(xiàn)出多層的結(jié)構(gòu)，外層是富含 Fe 元素的多孔結(jié)構(gòu)，而內(nèi)層是富含 Cr 元素的氧化物。最外層的氧化膜可假定完全受損，因?yàn)橥鈱邮杷啥嗫椎难趸なチ顺休d能力。氧化影響區(qū)域內(nèi)，隨著到表面距離的增加，由于氧含量的降低，氧化損傷的程度逐漸降低。因此，需要量化描述從試樣表面到內(nèi)部的氧化損傷程度的損傷指數(shù)。氧化損傷指數(shù)與氧在氧化影響區(qū)域和基體中的擴(kuò)散程度相關(guān)聯(lián)，通過電子探針技術(shù)進(jìn)行線掃描定量獲取氧含量，結(jié)果如圖 23 (b) 所示。

與基體相比，外層區(qū)域的氧含量越高，氧化損傷程度越大，氧化損傷指數(shù) α隨著距試樣外表面距離的增加而降低，其計(jì)算式為： 

式中， x _i 為距試樣外表面的距離； x _a 為氧化影響區(qū)的厚度； x _p 為氧化物的厚度； q為反映損傷程度的擬合參數(shù)。考慮氧化損傷區(qū)域在整體橫截面積中的占比和氧化損傷程度在不同位置的差異，氧化損傷驅(qū)動(dòng)力方程可以表示為： 

式中， A _oxi 為氧化損傷區(qū)域的面積； A _cross 為試樣橫截面積； α _max 為氧化損傷指數(shù)的最大值。

在現(xiàn)有以線性損傷累加準(zhǔn)則為基礎(chǔ)構(gòu)建的壽命預(yù)測(cè)模型體系中，主要包括時(shí)間分?jǐn)?shù)法 (Time Fraction, TF) 模型、延性耗竭 (Ductility Exhaustion, DE) 模型、TAKAHASHI 等提出的應(yīng)變能密度耗竭 (Strain Energy Density Exhaustion, T-SEDE) 模型和 WANG 等提出的應(yīng)變能密度耗竭 (W-SEDE) 模型。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步考慮氧化損傷在高溫服役條件下對(duì)蠕變 - 疲勞壽命的影響，構(gòu)建了 4 類新增模型，即 TF-O、DE-O、T-SEDE-O 與 W-SEDE-O，分別對(duì)應(yīng)在原模型中引入氧化損傷力項(xiàng)后的擴(kuò)展形式。模型評(píng)估過程中，不應(yīng)片面追求預(yù)測(cè)誤差的最小化或精度的最大化，而應(yīng)兼顧模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜性與預(yù)測(cè)能力之間的合理平衡，即在確保模型能夠反映物理機(jī)制的前提下，盡可能保持其計(jì)算簡潔性與適應(yīng)性。基于最大似然估計(jì)理論，本研究選取赤池信息準(zhǔn)則 (Akaike Information Criterion, AIC) 與貝葉斯信息準(zhǔn)則 (Bayesian Information Criterion, BIC) 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以量化模型對(duì)壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度與復(fù)雜度的權(quán)衡效果。圖 24 (a) 和圖 24 (b) 分別展示了各類模型在蠕變 - 疲勞壽命預(yù)測(cè)任務(wù)中的 AIC 與 BIC 表現(xiàn)。

結(jié)果表明，整體而言，SEDE 類模型在性能上優(yōu)于 TF 與 DE 模型，表現(xiàn)出更高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性與泛化能力。進(jìn)一步地，在模型中引入氧化損傷耦合項(xiàng)后，各類模型的綜合性能普遍提升，更好地反映了高溫多損傷耦合作用下的服役行為。特別的，盡管 W-SEDE-O 模型的參數(shù)數(shù)量相對(duì)較多，模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但其在 AIC 與 BIC 評(píng)價(jià)指標(biāo)中均表現(xiàn)出最優(yōu)的最小值，體現(xiàn)出其在預(yù)測(cè)精度與復(fù)雜度控制之間的良好平衡，具備工程應(yīng)用潛力。

在高溫高壓環(huán)境下服役的電廠關(guān)鍵承壓部件中，若蠕變 - 疲勞壽命設(shè)計(jì)存在非保守性，將對(duì)設(shè)備運(yùn)行的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，準(zhǔn)確評(píng)估蠕變與疲勞損傷對(duì)于確保部件在復(fù)雜工況下的服役可靠性至關(guān)重要。在工程實(shí)踐中，累積疲勞損傷常通過蠕變 - 疲勞失效周次與同應(yīng)變幅下純疲勞壽命的比值進(jìn)行估算，而累積蠕變損傷的評(píng)估則因標(biāo)準(zhǔn)體系差異存在多種實(shí)現(xiàn)方法。圖 25 (a) 展示了典型高溫鋼種 P92 鋼在蠕變 - 疲勞交互作用下的累積疲勞損傷與累積蠕變損傷分?jǐn)?shù)的分布情況，其中僅約 1/3 的拉伸保載試驗(yàn)數(shù)據(jù)位于 BDS 之外，表明該損傷準(zhǔn)則在部分加載工況下表現(xiàn)出非保守性。相比之下，NDS 的覆蓋能力更強(qiáng)，體現(xiàn)出相對(duì)合理的保守性。然而，仍有高達(dá) 66.7% 的試驗(yàn)點(diǎn)位于該包絡(luò)線內(nèi)部。為解決該問題，本文構(gòu)建了一個(gè)三維損傷交互作用圖，耦合考慮了蠕變、疲勞以及氧化三種典型損傷機(jī)制的共同演化規(guī)律。圖 25 (b) 展示了該模型下拉伸保載與壓縮保載試驗(yàn)點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中的分布，其中 X、Y 與 Z 軸分別代表累積疲勞損傷、累積蠕變損傷與累積氧化損傷。結(jié)果顯示，由于在模型中合理引入了氧化損傷的貢獻(xiàn)項(xiàng)，94.4% 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布于連續(xù)包絡(luò)面之外，相較于傳統(tǒng)二維損傷交互圖中僅 33.3% 的數(shù)據(jù)點(diǎn)落于失效包絡(luò)線外的結(jié)果，顯著提升了模型的保守性。

3.6 進(jìn)展 4：高溫熔鹽環(huán)境中的材料腐蝕與開裂行為預(yù)測(cè)

熔鹽是一種由金屬陽離子和非金屬陰離子組成的熔融態(tài)無機(jī)鹽，具有比熱容高、黏度低、飽和蒸氣壓低等優(yōu)點(diǎn)，在光熱發(fā)電、熱儲(chǔ)能及先進(jìn)核反應(yīng)堆等新型能源系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)陰離子種類的不同，常見的熔鹽主要有氟鹽、氯鹽和硝酸鹽等。本節(jié)針對(duì)目前商用最廣的典型熔融硝酸鹽 (太陽鹽，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60% 的 NaNO₃ 、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40% 的 KNO₃ ) 腐蝕環(huán)境，系統(tǒng)揭示熔鹽環(huán)境中的材料腐蝕機(jī)制、化 - 力耦合效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)材料熔鹽腐蝕開裂行為的預(yù)測(cè)。

在不同溫度下，熔融硝酸鹽發(fā)生不同程度的分解，從而呈現(xiàn)出不同程度的腐蝕性。當(dāng)溫度低于 565℃時(shí)，硝酸根的分解主要通過還原反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕離子 O 2?[98]；當(dāng)溫度高于 600℃時(shí)，硝酸鹽發(fā)生進(jìn)一步分解，生成 O 2 ? 和 O 2 2? ，進(jìn)一步增強(qiáng)了熔鹽的腐蝕性 [99]。金屬材料在熔融硝酸鹽中發(fā)生氧化反應(yīng)，生成對(duì)應(yīng)的氧化物。不同的金屬氧化物在熔融硝酸鹽中的溶解度也不同，如難溶的鐵氧化物易沉積在金屬表面，鉻氧化物則易溶于熔鹽中，因此含鉻元素的金屬，如不銹鋼等在熔融硝酸鹽中的腐蝕層呈現(xiàn)典型的外層鐵氧化物、內(nèi)層鐵 - 鉻氧化物的分層結(jié)構(gòu)。

氯離子作為主要雜質(zhì)對(duì)硝酸熔鹽腐蝕性的增強(qiáng)最為顯著，在使用商用級(jí)別的硝酸鹽作為傳蓄熱介質(zhì)時(shí)，掌握氯雜質(zhì)加速的材料腐蝕規(guī)律顯得極為重要。如圖 26 所示，氯離子通過 “活性腐蝕” 機(jī)制加速材料腐蝕，以鐵元素為例闡述該機(jī)制發(fā)生的 4 個(gè)步驟 [100-101]：首先，金屬熔鹽中的氯雜質(zhì)離子與不銹鋼表面的氧化物 (如 Fe 2  O 3 ) 和氧發(fā)生反應(yīng)生成 Cl 2 （S1）；隨后 Cl 2 通過腐蝕層滲透到腐蝕層 / 基體界面處，與基體的金屬原子發(fā)生反應(yīng)生成 FeCl 2 （S2）；由于 FeCl 2 的飽和蒸氣壓較低，腐蝕層 / 基體界面處固態(tài) FeCl 2 變?yōu)闅鈶B(tài)并向外擴(kuò)散（S3）；當(dāng)腐蝕層中一定位置處的氧分壓達(dá)到使 FeCl 2 發(fā)生氧化的臨界分壓時(shí)， FeCl 2 被氧化成鐵氧化物并釋放 Cl 2 （S4），步驟 S2~S4 的不斷重復(fù)使材料的腐蝕速率明顯增大。

光熱發(fā)電和熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)中熱載荷、機(jī)械載荷與熔鹽腐蝕的交互作用是加速高溫結(jié)構(gòu)失效的主要因素。高溫熔鹽環(huán)境中，載荷引起的材料變形使材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生大量的缺陷 (如幾何必須位錯(cuò)、位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)以及亞晶界等)，為金屬原子提供短程擴(kuò)散通道，從而加速了材料在熔鹽中的腐蝕。如圖 27 所示 [102]，在慢拉伸條件下發(fā)生了晶界腐蝕現(xiàn)象；持續(xù)變形之下，腐蝕產(chǎn)物在晶界處發(fā)生開裂，引起了微裂紋在晶界處的萌生，熔鹽在裂紋尖端進(jìn)一步腐蝕基體，導(dǎo)致裂紋沿晶界不斷擴(kuò)展。對(duì)于多元損傷下裂紋的萌生與擴(kuò)展分析，基于連續(xù)損傷力學(xué)模型的預(yù)測(cè)方法受到格外關(guān)注。首先，將應(yīng)力和塑性應(yīng)變修正的化學(xué)勢(shì)引入到 Wagner 方程，通過耦合氯離子雜質(zhì)影響的熔鹽腐蝕速率參數(shù)，構(gòu)建多元因素影響的晶粒熔鹽腐蝕動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)一步考慮應(yīng)力輔助晶界氧化 (Stress Assisted Grain Boundary Oxidation, SAGBO) 效應(yīng)，構(gòu)建晶界腐蝕動(dòng)力學(xué)方程。其次，基于熔鹽腐蝕深度定量描述熔鹽腐蝕損傷，利用線性累積方法及剛度退化法，對(duì)慢拉伸條件下 316L 不銹鋼的腐蝕與開裂行為進(jìn)行了預(yù)測(cè)。由圖 27 可知，模型對(duì)材料腐蝕行為、腐蝕開裂行為的預(yù)測(cè)效果與試驗(yàn)結(jié)果較為一致。

3.7 進(jìn)展 5：多場耦合作用下渦輪盤合金疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制與模型

作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)最為關(guān)鍵的熱端部件之一，渦輪盤在服役過程中承受很大的離心負(fù)荷和熱負(fù)荷，其服役壽命很大程度上取決于粉末高溫合金中疲勞損傷及其與蠕變、氧致?lián)p傷的交互作用 [103][104] 355-369。隨著渦輪盤服役溫度提高，氧致?lián)p傷 (應(yīng)力 / 應(yīng)變協(xié)助晶界氧化、動(dòng)態(tài)脆化等) 對(duì)渦輪盤用粉末高溫合金及粉末渦輪盤中疲勞裂紋擴(kuò)展的影響變得更加顯著 [105] 110702 [106] 265-274，氧致?lián)p傷促進(jìn)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)粉末渦輪盤疲勞壽命損傷容限設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。本節(jié)以渦輪盤用粉末高溫合金為研究對(duì)象，通過控制環(huán)境氣氛和載荷條件，揭示多場耦合作用下粉末高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制，基于試驗(yàn)結(jié)果，建立疲勞裂紋擴(kuò)展模型。

對(duì)于渦輪盤合金，由于其優(yōu)良的高溫力學(xué)性能及疲勞裂紋擴(kuò)展過程中蠕變載荷對(duì)裂紋尖端區(qū)域較短的作用時(shí)間，蠕變損傷對(duì)其疲勞裂紋擴(kuò)展的影響比較有限，只有當(dāng)溫度高于 750℃，蠕變對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展才產(chǎn)生明顯的促進(jìn)效應(yīng) [104] 355-369 [105] 110702 [106] 265-274 [107]。通過控制疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的氧分壓、溫度和加載頻率，較清楚地澄清了氧化損傷對(duì)粉末高溫合金 [N18 和高熔點(diǎn)低溶解度 (Low Solvus High Refractory, LSHR) 合金] 疲勞裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律，即當(dāng)溫度由 650℃增加到 725℃，環(huán)境由真空改為空氣，N18 和 LSHR 合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率增加了 1~2 個(gè)數(shù)量級(jí)，疲勞裂紋由穿晶擴(kuò)展轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐U(kuò)展，斷口上沿晶二次裂紋的數(shù)量有明顯增加，表明氧化損傷顯著加速了高溫合金疲勞裂紋擴(kuò)展 [108]。除了載荷、環(huán)境外，氧化促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展還與渦輪盤合金微觀組織密切相關(guān)。

圖 28 展示了 650℃和 750℃下空氣中 FGH99 合金粗晶組織 [圖 28 (a)]、梯度結(jié)構(gòu) [圖 28 (b)] 以及細(xì)晶組織 [圖 28 (c)] 的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，相比于細(xì)晶與梯度結(jié)構(gòu) FGH99 合金，粗晶 FGH99 合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率低了近 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，具有更高的疲勞裂紋擴(kuò)展抗力 [109] 107647。通過比較細(xì)晶和梯度結(jié)構(gòu) FGH99 合金的裂紋擴(kuò)展速率可以發(fā)現(xiàn)，高溫對(duì)于梯度結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的促進(jìn)作用更為顯著。為更好地評(píng)估微觀組織對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響，對(duì)梯度結(jié)構(gòu) FGH99 合金開展恒應(yīng)力強(qiáng)度因子 (ΔK) 條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖 28 (e) 所示，除了在 5Hz 正弦加載波形下測(cè)試的試樣外，當(dāng)疲勞裂紋由粗晶區(qū)向細(xì)晶區(qū)擴(kuò)展時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展速率有明顯提高。在 650℃、不同 ΔK 條件下，晶粒尺寸的變化對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響隨著 ΔK 增加而減小，而在 ΔK=40MPa?m1/2、不同溫度時(shí)，晶粒尺寸的變化對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響隨著溫度的升高而增加。這表明溫度越高，氧致?lián)p傷促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展行為對(duì)微觀結(jié)構(gòu)更加敏感，且氧致?lián)p傷與裂尖微觀組織、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、裂紋擴(kuò)展速率密切相關(guān) [109] 107647 [110]。

要實(shí)現(xiàn)高溫合金氧致?lián)p傷促進(jìn)疲勞裂紋擴(kuò)展行為和擴(kuò)展速率的精確預(yù)測(cè)需詮釋疲勞損傷和氧致?lián)p傷的交互作用，并納入相應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)模型中。如圖 29 所示，在基于疲勞裂紋尖端變形與氧化表征的基礎(chǔ)上，通過晶體塑性模型和裂尖應(yīng)力協(xié)助晶界擴(kuò)散相結(jié)合，發(fā)展了氧化 - 疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)方法 [105] 110702 [111-112]。通過晶體塑性模型模擬緊湊拉伸試樣中裂紋尖端的變形，獲得裂尖的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，同時(shí)通過模擬氧元素在應(yīng)力協(xié)助下的晶界擴(kuò)散獲得裂紋尖端氧元素的濃度分布，建立起耦合裂尖累積塑性應(yīng)變和氧元素濃度的裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，采用擴(kuò)展有限元方法 (Extended Finite Element Method, XFEM) 模擬和預(yù)測(cè)了渦輪盤合金 RR1000 裂尖在氧化 - 疲勞耦合作用下的損傷及裂紋擴(kuò)展速率，得到與試驗(yàn)相吻合的模擬結(jié)果。但由于缺乏裂尖應(yīng)力 / 應(yīng)變協(xié)助氧元素?cái)U(kuò)散系數(shù)和裂尖氧化損傷程度的準(zhǔn)確表征，所建立的囊括裂尖氧化 - 疲勞損傷交互作用的裂尖開裂準(zhǔn)則還有待進(jìn)一步的發(fā)展和驗(yàn)證，考慮氧化損傷的疲勞裂紋擴(kuò)展模型和數(shù)值模擬方法也有待進(jìn)一步發(fā)展。

4、多學(xué)科交叉與數(shù)字化體系

4.1 多學(xué)科交叉

傳統(tǒng)高溫機(jī)械強(qiáng)度研究主要依賴連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和材料科學(xué)，通過試驗(yàn)測(cè)試和理論建模分析材料在高溫環(huán)境下的變形與失效機(jī)制。當(dāng)前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的飛速發(fā)展，高溫機(jī)械強(qiáng)度研究正經(jīng)歷從傳統(tǒng)學(xué)科向多學(xué)科交叉融合的范式轉(zhuǎn)變。交叉學(xué)科是指通過打破傳統(tǒng)學(xué)科邊界，將兩個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域的理論、方法、技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性融合而形成的新型研究范式。它不是簡單的學(xué)科疊加，而是通過跨領(lǐng)域知識(shí)的深度碰撞，催生新的研究工具與分析框架。例如，將量子力學(xué)與材料科學(xué)結(jié)合形成的計(jì)算材料學(xué)，把機(jī)器學(xué)習(xí)算法引入工程力學(xué)領(lǐng)域形成的智能力學(xué)，均是交叉學(xué)科的典型產(chǎn)物。在高溫機(jī)械強(qiáng)度研究中，交叉學(xué)科體現(xiàn)為力學(xué)、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等學(xué)科的深度協(xié)同，通過整合不同領(lǐng)域的研究范式，突破單一學(xué)科的認(rèn)知邊界，從而更好地服務(wù)于高溫機(jī)械裝備的安全可靠性保障。

4.2 多學(xué)科交叉在高溫機(jī)械強(qiáng)度中的進(jìn)展

在多學(xué)科融合的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法與模型驅(qū)動(dòng)方法的集成應(yīng)用，正成為高溫結(jié)構(gòu)壽命建模與預(yù)測(cè)的重要趨勢(shì)。傳統(tǒng)的物理模型依賴于復(fù)雜的損傷演化機(jī)制和專家知識(shí)，雖然具備明確的可解釋性，但在高維、多源、強(qiáng)非線性的工程問題中存在推廣性差、建模難度高、計(jì)算開銷大等局限。相較之下，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的高維特征學(xué)習(xí)，展現(xiàn)出良好的泛化能力和建模效率。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，在此過程中需要識(shí)別輸入和輸出變量，并通過交叉驗(yàn)證優(yōu)化超參數(shù)。特別是前饋人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (Artificial Neural Network, ANN)[26] 106677、支持向量回歸 (Support Vector Regression, SVR)[113]、隨機(jī)森林 (Random Forest, RF)[114] 和高斯過程回歸 (Gaussian Process Regression, GPR)[115] 在考慮平均應(yīng)力和加載順序等多重影響因素的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型相比，基于深度學(xué)習(xí)的模型由于其更復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)，ZHANG 等 [116] 通過收集多種材料的疲勞、蠕變數(shù)據(jù)，分別訓(xùn)練多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型，結(jié)果證明，深度學(xué)習(xí)模型能夠取得更佳的壽命預(yù)測(cè)效果。為了將已知的物理定律和約束條件整合到機(jī)器學(xué)習(xí)模型中，提出基于物理信息的機(jī)器學(xué)習(xí) (Physics-Informed Machine Learning, PIML) 模型 [117]，并因其較高的泛化性能而在壽命預(yù)測(cè)中受到越來越多的關(guān)注。ZHANG 等 [118] 結(jié)合模型訓(xùn)練中的損失函數(shù)與物理約束，將物理信息神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成功應(yīng)用于 316 不銹鋼的蠕變 - 疲勞壽命預(yù)測(cè)。盡管如此，PIML 模型仍然是一個(gè)黑盒模型，這在工程應(yīng)用中是非常不方便的。符號(hào)回歸 (Symbolic Regression, SR) 根據(jù)給定問題搜索最優(yōu)函數(shù)形式和模型參數(shù)，為可解釋性顯式表達(dá)式提供了一種有效的解決方案 [119]。近年來，人們對(duì)基于 SR 的循環(huán)壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了一些嘗試。例如，REN 等 [120] 確定了交通用水泥穩(wěn)定冷再生混合材料的疲勞壽命預(yù)測(cè)方程，將 SR 與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合，建立了多級(jí)加載下的剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)方程，其中 SR 以材料含量和外加載荷為變量。

為了進(jìn)一步利用實(shí)際工程結(jié)構(gòu)服役過程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命 (Remaining Useful Life, RUL)，多學(xué)科交叉發(fā)揮了重要作用。一般來說，機(jī)械結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法可以分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法、模型驅(qū)動(dòng)方法及數(shù)據(jù) - 模型混合驅(qū)動(dòng)方法。模型驅(qū)動(dòng)方法需要建立描述系統(tǒng)退化行為的物理模型，如 Paris 裂紋擴(kuò)展模型、損傷演化模型，將物理模型與測(cè)量數(shù)據(jù)和使用工況相結(jié)合，確定模型參數(shù)并預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來的退化行為。然而對(duì)于極為復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，很難完全掌握結(jié)構(gòu)失效機(jī)制，也很難建立準(zhǔn)確的物理模型用于預(yù)測(cè)。即使建立了高保真模型，受限于巨大的計(jì)算量很難將該方法應(yīng)用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的 RUL 預(yù)測(cè)。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，如深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不依賴系統(tǒng)的失效物理模型，該方法利用當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)來評(píng)判機(jī)械系統(tǒng)的健康狀態(tài)并預(yù)測(cè)未來發(fā)展，其預(yù)測(cè)的精度極大程度上依賴于數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。如果能夠獲得該結(jié)構(gòu)或類似結(jié)構(gòu)的所有故障模式數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法可以客觀地考慮所有失效關(guān)系，從而有效避免人因誤差。伴隨人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的 RUL 預(yù)測(cè)方法越來越受到研究人員的關(guān)注。基于 NASA 公開的大型商用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī) C-MAPSS 模擬數(shù)據(jù)集 [121]，LI 等 [122] 提出融合機(jī)械系統(tǒng)多傳感器數(shù)據(jù)的 RUL 預(yù)測(cè)方法，根據(jù)融合得到的健康指標(biāo)利用維納過程模型進(jìn)行退化建模。任子強(qiáng)等 [123] 通過預(yù)測(cè)方差最小化優(yōu)化權(quán)重系數(shù)以融合多源傳感器數(shù)據(jù)，利用線性維納過程模型預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的 RUL。

對(duì)于實(shí)際的高溫結(jié)構(gòu)，單獨(dú)使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或模型驅(qū)動(dòng)方法可能無法有效預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)可靠性及 RUL，如將兩種方法混合使用則可能極大提升預(yù)測(cè)能力。例如，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法中，失效物理行為的領(lǐng)域知識(shí)可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá)。將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法與基于故障物理的理論模型相結(jié)合，可在不違背物理規(guī)律的同時(shí)保證計(jì)算效率。目前，研究人員結(jié)合 Paris 裂紋擴(kuò)展模型與卡爾曼濾波算法、無際卡爾曼濾波算法以及粒子濾波算法開展了大量工作 [124]，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)算法在數(shù)據(jù)獲取及參數(shù)更新方面的優(yōu)勢(shì)，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整 Paris 裂紋擴(kuò)展模型參數(shù)，從而使實(shí)時(shí)裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際裂紋長度。該混合驅(qū)動(dòng)方法極大程度地提升了 RUL 預(yù)測(cè)的精度，且 RUL 的預(yù)測(cè)不確定性區(qū)間將隨著數(shù)據(jù)的不斷獲取逐漸縮小。WANG 等 [125] 通過擴(kuò)展有限元分析結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律，使用代理模型方法進(jìn)行運(yùn)算降階，并融合疲勞裂紋擴(kuò)展模型與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析了結(jié)構(gòu)疲勞加載下的 RUL。付洋等 [126] 構(gòu)建了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤振動(dòng)數(shù)據(jù)與裂紋擴(kuò)展規(guī)律的關(guān)系，通過動(dòng)態(tài)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建立退化模型，并采用粒子濾波算法進(jìn)行退化跟蹤與剩余使用壽命預(yù)測(cè)，通過全尺寸渦輪盤試驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的有效性。

4.3 進(jìn)展 1：用于預(yù)測(cè)蠕變壽命的約束機(jī)器學(xué)習(xí)與誤差分析方法

高溫結(jié)構(gòu)材料的蠕變壽命預(yù)測(cè)是保障火電、核電等裝備長期服役安全和結(jié)構(gòu)完整性的關(guān)鍵科學(xué)問題之一。除傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑽ㄏ竽Ｐ鸵约盎谖⒂^機(jī)制的蠕變機(jī)制模型外，機(jī)器學(xué)習(xí) (Machine Learning, ML) 近年來也成為預(yù)測(cè)和優(yōu)化材料性能 (包括蠕變性能) 的重要工具。為確保機(jī)器學(xué)習(xí)在蠕變壽命預(yù)測(cè)應(yīng)用中的物理合理性和預(yù)測(cè)可靠性，近期研究建立了適用于蠕變壽命預(yù)測(cè)的物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)算法 [127-130]。本節(jié)將以高溫金屬結(jié)構(gòu)材料為例，闡述物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)及其可靠性評(píng)估方法，并展示其在定量預(yù)測(cè)蠕變壽命中的應(yīng)用。

研究表明，常規(guī)機(jī)器學(xué)習(xí)算法在長期蠕變壽命預(yù)測(cè)中存在一定局限性：盡管其預(yù)測(cè)結(jié)果通常具有較高的相關(guān)系數(shù)，但可能產(chǎn)生違背物理規(guī)律的擬合和外推結(jié)果，例如，局部過擬合、外推曲線交叉和回折等，導(dǎo)致顯著的預(yù)測(cè)誤差。為解決該問題，近期研究將蠕變斷裂曲線的物理約束條件 (如一階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)及溫度相關(guān)導(dǎo)數(shù)) 與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，建立了適用于蠕變壽命預(yù)測(cè)的物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)算法，并建立了系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法 [127] 239-251 [128] 5165-5176 [129] 923-937 [130] 3444-3457 [131]，以確保模型的穩(wěn)定性與可靠性。

圖 30 展示了該物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)模型的構(gòu)建流程及可靠性評(píng)估方法。物理約束條件的引入有效提升了預(yù)測(cè)結(jié)果的物理合理性，具體而言，一階導(dǎo)數(shù)約束可避免長期外推曲線陡峭異常；二階導(dǎo)數(shù)約束可防止預(yù)測(cè)曲線的震蕩及不合理外推；溫度相關(guān)導(dǎo)數(shù)約束則可避免不同溫度下預(yù)測(cè)曲線的交叉現(xiàn)象。系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法包括：物理約束條件驗(yàn)證、單批次與多批次數(shù)據(jù)分析、蠕變壽命外推、穩(wěn)定性與可重復(fù)性分析、回歸與偏差分析以及算法自洽性分析等。最終，將物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)算法的預(yù)測(cè)結(jié)果與歐洲蠕變合作委員會(huì) (European Creep Co-operation Committee, ECCC) 評(píng)估測(cè)試 (Assessment Procedures, PATs) 規(guī)范進(jìn)行對(duì)比分析。

圖 31 展示了物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)算法在高溫金屬材料蠕變壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例。圖 31 (a)~ 圖 31 (b) 表明，該方法預(yù)測(cè)的 TP316H 鋼蠕變曲線滿足一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的物理約束條件。圖 31 (c) 展示了 4 種算法擬合 TP92 鋼的全數(shù)據(jù)，模型擬合與外推效果良好且偏差較小。圖 31 (d) 展示了利用 3 種算法外推 Super 304H 奧氏體鋼的蠕變壽命，結(jié)果顯示算法間高度一致且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。圖 31 (e) 所示為 321H 奧氏體鋼蠕變壽命的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值的回歸與偏差分析，回歸系數(shù)為 0.96；其中 3 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)偏離了 5% 異常值范圍，可用于判斷和預(yù)測(cè)材料的早期蠕變失效。圖 31 (f) 以 Sanicro 25 奧氏體鋼為例，展示 5 種軟約束機(jī)器學(xué)習(xí)算法的自洽性，包括全數(shù)據(jù)擬合、PAT 3.1、PAT 3.2 和外推結(jié)果，均高于 97.5%。

系統(tǒng)的可靠性評(píng)估結(jié)果表明，所構(gòu)建的物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠?qū)W氏體鋼、高鉻鋼、鎳基合金等多種高溫金屬結(jié)構(gòu)材料的蠕變性能進(jìn)行穩(wěn)定可靠的預(yù)測(cè)。該方法不僅滿足 ECCC PATs 規(guī)范的要求，還通過精簡約束條件，顯著優(yōu)化了評(píng)估測(cè)試流程。此外，該方法還被拓展應(yīng)用于預(yù)測(cè)多種金屬材料在變形過程中的晶界滑移行為 [132]。綜上所述，所建立的物理約束機(jī)器學(xué)習(xí)框架，一方面，為物理信息機(jī)器學(xué)習(xí)的科學(xué)應(yīng)用與可靠性評(píng)估提供了參考范例；另一方面，為定量評(píng)估和預(yù)測(cè)現(xiàn)有商用材料及新一代高溫合金的長期服役安全性和可靠性提供了技術(shù)支撐。未來，將機(jī)器學(xué)習(xí)與蠕變機(jī)制模型進(jìn)行深度融合，有望成為推動(dòng)高溫合金設(shè)計(jì)與服役性能預(yù)測(cè)的重要研究方向。

4.4 進(jìn)展 2：基于深度學(xué)習(xí)方法的材料多軸循環(huán)變形及壽命研究

多軸復(fù)雜載荷下的局部應(yīng)力應(yīng)變歷程具有顯著路徑相關(guān)性與非比例特征，傳統(tǒng)基于單一損傷參量與經(jīng)驗(yàn)標(biāo)定的方法在跨材料與跨載荷譜外推時(shí)難以保證有效的預(yù)測(cè)精度。近年來，深度學(xué)習(xí)方法從 “數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)特征工程、物理機(jī)制融合和疲勞數(shù)據(jù)增強(qiáng)” 等 3 個(gè)方面，為多軸損傷參量構(gòu)建與疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了新的解決思路，并在若干典型工程材料與場景中驗(yàn)證了有效性 [133-141]。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)特征工程以面向材料應(yīng)力應(yīng)變行為的特征編碼和發(fā)掘?yàn)楹诵模瑖@ “可判別、可遷移、可解釋” 的目標(biāo)構(gòu)建有效的多軸疲勞表征。一方面，通過幅值、均值、相位差、非比例度等指標(biāo)，以及疲勞強(qiáng)度 (Fatigue Strength, FS)、Chen-Xu-Huang 能量參數(shù) (CXH) 等典型損傷參量進(jìn)行參數(shù)化描述，并結(jié)合遞歸特征消除等篩選策略，從復(fù)雜多軸歷程中提煉出對(duì)壽命最敏感的少數(shù)關(guān)鍵變量 [133] 2524-2537 [134] 107868 [圖 32 (a)]。另一方面，通過構(gòu)建滯環(huán)圖像等非參數(shù)化高維表征，直觀刻畫不同應(yīng)變路徑下多軸滯環(huán)形狀與能量耗散模式的差異，再以層次化卷積與遷移學(xué)習(xí)完成跨材料適配，在材料更替時(shí)僅需微調(diào)高層參數(shù)即可維持預(yù)測(cè)穩(wěn)定性 [135] 107324 [136] 109802 [圖 32 (b)]。在此基礎(chǔ)上，引入類激活圖、積分梯度與 SHAP 等可視化與歸因工具識(shí)別模型關(guān)注特征，進(jìn)一步理解模型推斷根據(jù)。與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾龋擃惙椒ㄔ诜潜壤窂脚c復(fù)雜譜覆蓋下顯著提高了樣本落入 1.5 倍壽命帶內(nèi)的比例，并在跨材料遷移時(shí)表現(xiàn)出更低的誤差敏感性 [133] 2524-2537 [134] 107868 [135] 107324 [136] 109802。

在深度學(xué)習(xí)模型內(nèi)部，將經(jīng)驗(yàn)公式或理論模型嵌入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與損失函數(shù)，構(gòu)建數(shù)據(jù) - 物理融合驅(qū)動(dòng)的深度學(xué)習(xí)模型，可以顯著壓縮參數(shù)搜索空間并提升外推穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升模型預(yù)測(cè)結(jié)果的物理一致性。基于 Coffin-Manson 方程、FS、SWT 和 CXH 等經(jīng)典損傷參數(shù)，可以在神經(jīng)元的權(quán)重約束和損失函數(shù)懲罰項(xiàng)中進(jìn)行改進(jìn) [137] 20220392 [138] 108799，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型訓(xùn)練過程的約束，得到的結(jié)果可以兼顧精度和物理一致性 [圖 33 (a)]。此外，面向工程參數(shù)化需求，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)的符號(hào)回歸在量綱一致性約束下可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)損傷參量的閉式表達(dá)，兼顧精度與可移植性；在多材料驗(yàn)證中，2 倍壽命帶內(nèi)比例達(dá)到約 90.58%，3 倍壽命帶內(nèi)比例達(dá)到約 98.55%[139] 110809 [圖 33 (b)]。

除了模型層面的改進(jìn)，數(shù)據(jù)側(cè)的增強(qiáng)同樣關(guān)鍵。將應(yīng)力 - 應(yīng)變歷程經(jīng)傅里葉或時(shí)頻編碼，與壽命標(biāo)簽聯(lián)合建模，可在深度卷積生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)框架下實(shí)現(xiàn)樣本的同化與擴(kuò)增，從而有效擴(kuò)展訓(xùn)練分布并降低估計(jì)方差 [140] 106996，如圖 34 所示。進(jìn)一步地，基于條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的可控增強(qiáng)以應(yīng)變路徑、幅值統(tǒng)計(jì)或材料標(biāo)簽為條件，同時(shí)生成與之匹配的應(yīng)力響應(yīng)與疲勞壽命，相較無條件增強(qiáng)更能覆蓋非比例加載中多樣的路徑與相位組合 [141] 109216。在代表性數(shù)據(jù)集上，該策略使多種基線模型的均方根誤差最高下降約 46.2%，結(jié)果重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)差最高下降約 51.7%，不同淺層機(jī)器學(xué)習(xí)模型亦獲得顯著提升；面向極小樣本情形，結(jié)合循環(huán)一致約束的循環(huán)式增強(qiáng)可進(jìn)一步帶來 35%~91% 的精度改善。

在多軸疲勞背景下，將損傷演化、循環(huán)本構(gòu)以及應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系等物理機(jī)制融入深度學(xué)習(xí)過程，能夠顯著提升模型對(duì)實(shí)際工況的適配性。引入物理相關(guān)特征量與先驗(yàn)約束，增強(qiáng)輸入與壽命之間的有效關(guān)聯(lián)，縮小參數(shù)可行域并加速收斂，使模型將表達(dá)能力集中到傳統(tǒng)方法難以刻畫的非線性耦合特征上。將機(jī)制項(xiàng)寫入損失函數(shù)或結(jié)構(gòu)約束，還能保障量綱與物理一致性，提升結(jié)果的可解釋性與可靠性，同時(shí)降低對(duì)大規(guī)模標(biāo)注數(shù)據(jù)的依賴。總體而言，機(jī)制與數(shù)據(jù)融合的混合范式有望彌合理論模型與經(jīng)驗(yàn)方法之間的鴻溝，產(chǎn)出更準(zhǔn)確、可審計(jì)的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。

4.5 進(jìn)展 3：融合監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與失效物理模型的結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法

近期，研究團(tuán)隊(duì)從高溫部件的失效物理機(jī)制出發(fā)，提出了融合狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、失效物理模型與隨機(jī)過程統(tǒng)計(jì)理論的高溫結(jié)構(gòu)可靠性分析與剩余使用壽命預(yù)測(cè)方法 [142-143]。該方法的實(shí)施流程如圖 35 所示。具體流程為：①載荷信息映射。在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映了部件的運(yùn)行工況信息，通過輸入到離線構(gòu)建的代理模型可以在線輸出弱點(diǎn)位置時(shí)間相關(guān)的載荷信息。②損傷累積映射。根據(jù)獲得的載荷譜，分析其載荷模式并進(jìn)行載荷循環(huán)統(tǒng)計(jì)，將其輸入至失效物理模型進(jìn)行損傷分析，從而獲得若干啟停周次后的損傷累積結(jié)果。③剩余使用壽命預(yù)測(cè)。將損傷累積過程視為隨機(jī)過程，利用隨機(jī)過程模型進(jìn)行退化建模。通過關(guān)聯(lián)損傷閾值，使用累積損傷 - 損傷閾值干涉準(zhǔn)則即可求解得到系統(tǒng)運(yùn)行至指定時(shí)刻的可靠性程度及剩余使用壽命。

該流程考慮結(jié)構(gòu)在服役過程中的損傷累積與演化，通過數(shù)據(jù) - 模型混合驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)損傷監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)。目前已推廣應(yīng)用于電廠汽輪機(jī)組的健康管理，為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子等關(guān)重部件的預(yù)測(cè)性維護(hù)提供技術(shù)支持。具體而言，需要建立高保真的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子有限元分析模型，通過采取熱力耦合建模，根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行工況分為啟動(dòng) - 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行 - 停機(jī) 3 個(gè)過程，運(yùn)行中涉及的基本加載工況參數(shù)為蒸汽溫度、功率負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，在實(shí)際應(yīng)用中能夠反映轉(zhuǎn)子的狀態(tài)信息。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉根槽 (Blade Grooves, BGs) 和應(yīng)力釋放槽 (Stress Relief Groove, SRG) 的有限元分析結(jié)果如圖 36 所示。其中，SRG 和 1-st BG 的應(yīng)力水平與表面溫度的幅度最大，被視為潛在的弱點(diǎn)位置。

將轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、升轉(zhuǎn)速率、升負(fù)荷速率等作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，通過有限元仿真積累的上千組數(shù)據(jù)點(diǎn)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而建立從狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)到載荷時(shí)間歷程信息的映射關(guān)系。緊接著，采用工程中常用的疲勞 - 蠕變壽命評(píng)估模型，進(jìn)一步通過貝葉斯方法量化考慮模型不確定性 (模型形式和模型參數(shù))，基于歷史積累的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)生成 50 次啟停曲線，最終轉(zhuǎn)子兩個(gè)弱點(diǎn)部位的損傷累積分析結(jié)果如圖 37 所示。相比之下，由于應(yīng)力釋放槽主要由熱應(yīng)力主導(dǎo)損傷，因此受運(yùn)行工況變化影響較大，累積損傷曲線有波動(dòng)式上升

最后，為了評(píng)估轉(zhuǎn)子運(yùn)行可靠性并考慮轉(zhuǎn)子兩個(gè)薄弱部位的失效相關(guān)性，采用多隨機(jī)過程模型融合進(jìn)行概率損傷累積建模，預(yù)測(cè)損傷累積發(fā)展。在此基礎(chǔ)上結(jié)合 Copula 函數(shù)建立聯(lián)合失效評(píng)估函數(shù)，分析轉(zhuǎn)子系統(tǒng)運(yùn)行可靠度，50 次啟停后的可靠度分析結(jié)果如圖 38 所示。若以 92% 可靠度為轉(zhuǎn)子壽命閾值，則考慮失效相關(guān)性的 RUL 預(yù)測(cè)結(jié)果為 330000~331000h。該分析結(jié)果可為轉(zhuǎn)子運(yùn)維管理提供一定指導(dǎo)，未來可進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)機(jī)載系統(tǒng)，服務(wù)汽輪機(jī)智慧化壽命管理。

4.6 進(jìn)展 4：結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析工具

對(duì)于承受循環(huán)載荷和高溫環(huán)境的結(jié)構(gòu)，蠕變 - 疲勞失效是其主要的破壞形式。為預(yù)測(cè)這類部件的設(shè)計(jì)使用壽命，研究者構(gòu)建了諸多經(jīng)驗(yàn)型或物理機(jī)制驅(qū)動(dòng)的本構(gòu)模型用于描述其應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系及損傷演化規(guī)律。但在實(shí)際工程中，由于材料缺陷、載荷波動(dòng)、制造公差以及模型認(rèn)知不完善等隨機(jī) / 人為不確定性的存在 [144-145]，迫切需要引入概率可靠性評(píng)估方法以獲得更精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)壽命。現(xiàn)有的概率可靠性評(píng)估體系主要包括解析法、數(shù)值模擬法和代理模型法 [146]。無論采用何種方法，可靠性評(píng)估面臨的一個(gè)共性難題是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的匱乏 —— 高可靠性部件在蠕變 - 疲勞載荷下的真實(shí)失效數(shù)據(jù)極為匱乏，而相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取又需耗費(fèi)大量時(shí)間和人力成本。因此，借助有限元軟件的開發(fā)，有限元方法已成為可靠性評(píng)估的必要工具。然而相較于傳統(tǒng)疲勞可靠性評(píng)估，蠕變 - 疲勞可靠性評(píng)估在試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累、復(fù)雜損傷 / 壽命模型處理、多重不確定性量化以及結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算成本控制等方面面臨更大挑戰(zhàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能算法的發(fā)展，代理模型憑借其計(jì)算效率和合理精度在分類與回歸問題中得到廣泛應(yīng)用。通過替代有限元計(jì)算實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)積累，將代理模型應(yīng)用于概率分析問題可顯著減少計(jì)算負(fù)擔(dān)，為可靠性評(píng)估提供通用化解決方案 [147]。基于代理模型的蠕變 - 疲勞可靠性評(píng)估框架如圖 39 所示。

首先，將輸入的材料屬性、幾何尺寸、載荷等隨機(jī)變量離散化，開展批量有限元計(jì)算，積累數(shù)據(jù)集，包括隨機(jī)變量的輸入及損傷數(shù)值的輸出，并基于此訓(xùn)練代理模型。代理模型可選用集成學(xué)習(xí)的思想提高精確度和普適性。基于代理模型，快速得到變量蒙特卡洛抽樣 (Monte Carlo Sampling, MCS) 輸入的響應(yīng)輸出，從而獲取損傷的概率分布，最終，開展損傷結(jié)果的可靠性評(píng)估。此類數(shù)據(jù)物理混合驅(qū)動(dòng)的方法通過計(jì)算科學(xué)高效靈活地解決特定設(shè)計(jì)問題，為概率可靠性評(píng)估提供了通用技術(shù)手段。然而對(duì)于工程人員而言，構(gòu)建合理代理模型、實(shí)施蒙特卡羅模擬等復(fù)雜操作仍難以掌控，通常需要專門開發(fā)的程序支持。雖然 Matlab 提供機(jī)器學(xué)習(xí)工具箱，但 Abaqus 等商業(yè)有限元軟件并未深度集成先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法。在缺乏穩(wěn)健實(shí)用評(píng)估工具的情況下，工程實(shí)踐中仍依賴簡單的物理或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行蠕變 - 疲勞壽命設(shè)計(jì)，通過設(shè)置充足安全系數(shù)來預(yù)留失效裕度，這種做法往往導(dǎo)致過度保守設(shè)計(jì)。因此，開發(fā)多功能的、納入不確定性的概率可靠性分析軟件的集成具有重要意義。由于結(jié)構(gòu)分析往往需要借助有限元仿真軟件，將可靠性分析功能以二次開發(fā)的形式集成到 Ansys、Abaqus 等商業(yè)有限元軟件當(dāng)中更適合工程人員使用，避免了跨軟件的操作。

在商業(yè)有限元軟件中，二次開發(fā)是提高其性能和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的最有力方法之一。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，相應(yīng)二次開發(fā)工具大致可分為子程序、面向?qū)ο缶幊痰哪_本、插件 3 類。子程序是對(duì)有限元底層計(jì)算邏輯的擴(kuò)展，而隨著 Python 和 Matlab 等面向?qū)ο缶幊陶Z言的成熟，面向?qū)ο缶幊痰哪_本被廣泛應(yīng)用于有限元軟件中，幫助研究人員處理重復(fù)性工作，或以非侵入方式將數(shù)學(xué)公式嵌入軟件中。近年來，帶有圖形用戶界面 (Graphical User Interface, GUI) 的插件受到了關(guān)注。插件將邏輯操作和批量有限元法操作封裝在后端程序中，并通過前端的 GUI 簡化了分析方法的流程。開源的 Abaqus 插件 CFre [148] 發(fā)布于 Github，用于面向蠕變 - 疲勞損傷部件的概率可靠性評(píng)估。該插件核心代碼基于 Python 編程環(huán)境開發(fā)，基于有限元數(shù)據(jù)和代理建模方法，通過蒙特卡洛模擬計(jì)算結(jié)果并自動(dòng)輸出可視化的評(píng)估結(jié)果。該插件主要包括參數(shù)化有限元計(jì)算、不確定性量化、代理模型、可靠性評(píng)估 4 個(gè)模塊，其主界面如圖 40 所示。

基于該插件，可實(shí)現(xiàn)確定性壽命評(píng)估、抽樣結(jié)果概率分布擬合、變量相關(guān)性分析、失效敏感性分析、失效概率計(jì)算等結(jié)果的可視化，實(shí)現(xiàn)快速的蠕變 - 疲勞可靠性評(píng)估。經(jīng)過定量對(duì)比，所發(fā)展的基于代理模型方法的插件在滿足工程精度要求的前提下，其可靠性計(jì)算效率相較傳統(tǒng)高保真有限元模擬提升約 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。綜合來看，以 CFre 插件為代表的集成化工具，通過提供標(biāo)準(zhǔn)化的分析流程與必要的定制化選擇，顯著降低了先進(jìn)概率可靠性評(píng)估方法的應(yīng)用門檻。這種標(biāo)準(zhǔn)化與靈活性相結(jié)合的特點(diǎn)，為高溫結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)和更有效的輕量化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，推動(dòng)了相關(guān)設(shè)計(jì)方法從依賴經(jīng)驗(yàn)安全系數(shù)向基于可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。同時(shí)，通過清晰的圖形用戶界面和自動(dòng)化分析流程，不同專業(yè)背景的研究人員與工程師可以更方便地共享和交流數(shù)據(jù)、模型及分析結(jié)果，從而加速了設(shè)計(jì)方案的迭代與優(yōu)化進(jìn)程。此外，該插件的開放式結(jié)構(gòu)使得研究人員能夠根據(jù)具體需求，靈活添加或修改相關(guān)算法與功能，以滿足更復(fù)雜、更具體的工程實(shí)際需求。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，未來的二次開發(fā)工具可能將進(jìn)一步整合機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)算法，以自動(dòng)優(yōu)化參數(shù)選擇、改進(jìn)代理模型的精度與泛化能力。這種智能化的插件工具不僅能夠進(jìn)一步提升分析的效率和精度，而且能夠動(dòng)態(tài)地適應(yīng)復(fù)雜、多變的工程條件。

5、結(jié)論與展望

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型與高端制造技術(shù)的跨越式發(fā)展，面向石化裝置、燃?xì)廨啓C(jī)、核電設(shè)備及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等的高溫構(gòu)件正面臨更加苛刻的服役環(huán)境，其高效、穩(wěn)定與長壽命運(yùn)行對(duì)高溫機(jī)械強(qiáng)度研究提出了新的要求。高溫機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)理論研究最初以經(jīng)驗(yàn)公式和簡化損傷模式為主，逐步向多尺度、多損傷和多學(xué)科交叉融合的系統(tǒng)化研究方向演進(jìn)。本文圍繞該領(lǐng)域若干前沿問題展開述評(píng)，總結(jié)了當(dāng)前的重要研究進(jìn)展：

在多尺度建模與損傷機(jī)制方面，首先介紹了基于小試樣的材料高溫力學(xué)性能測(cè)試方法，驗(yàn)證了小試樣在獲取蠕變行為參數(shù)方面的可行性；基于 Eshelby 夾雜理論 - 晶體塑性耦合框架下，探究了形狀記憶合金熱 - 力耦合細(xì)觀力學(xué)行為，定量再現(xiàn)峰值應(yīng)變、溫度與加載速率等因素的影響；建立了基于雙尺度建模方法的蠕變 - 疲勞壽命預(yù)測(cè)流程，揭示了孔邊薄弱位置的細(xì)觀損傷演化機(jī)制，進(jìn)一步納入殘余壓應(yīng)力與表層塑性層效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔擠壓提升壽命的應(yīng)用與驗(yàn)證。

在多機(jī)制耦合損傷與壽命預(yù)測(cè)方面，首先構(gòu)建應(yīng)力應(yīng)變混合控制的蠕變 - 疲勞加載模式，揭示了損傷的主導(dǎo)與耦合機(jī)制；發(fā)展了反映力學(xué)性能退化的損傷變量與損傷分級(jí)圖方法，實(shí)現(xiàn)壽命退化的可視化判定；建立了蠕變 - 疲勞 - 氧化三維交互評(píng)定與壽命預(yù)測(cè)方法，在精準(zhǔn)壽命預(yù)測(cè)的前提下提升了失效包絡(luò)的保守性；通過應(yīng)力 / 塑性應(yīng)變修正化學(xué)式并引入應(yīng)力輔助晶界氧化效應(yīng)，精確預(yù)測(cè)了熔鹽環(huán)境材料的腐蝕開裂行為；結(jié)合擴(kuò)展有限元方法，發(fā)展了面向渦輪盤粉末高溫合金的氧化 - 疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測(cè)方法。

在多學(xué)科交叉與數(shù)字化體系方面，構(gòu)建了物理約束 / 物理信息機(jī)器學(xué)習(xí)框架，提升了長期蠕變壽命外推可靠性，并拓展至晶界行為等機(jī)制量的可預(yù)測(cè)化；形成了 “滯環(huán)圖像特征 - 遷移學(xué)習(xí) - 機(jī)制項(xiàng)正則 / 結(jié)構(gòu)約束 - 符號(hào)回歸 - 數(shù)據(jù)增強(qiáng)” 的多軸非比例載荷壽命建模路線，在精度、可解釋性與可遷移性之間取得平衡；建立了 “載荷信息映射 - 損傷累積 - 隨機(jī)退化過程” 的結(jié)構(gòu)剩余使用壽命預(yù)測(cè)流程，實(shí)現(xiàn)了融合代理模型和失效物理的在線可靠性評(píng)估與壽命判定。

展望未來，高溫機(jī)械強(qiáng)度研究將持續(xù)聚焦多物理場耦合機(jī)制的深入揭示、智能化壽命決策工具的高效集成，以及工程可推廣性的標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建：

在復(fù)雜高溫環(huán)境 (應(yīng)力、腐蝕、輻照等多因素耦合) 下，構(gòu)件失效表現(xiàn)出強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合與顯著的時(shí)效特征。未來需從微觀損傷起源出發(fā)，系統(tǒng)厘清多物理場之間的相互作用與耦合路徑，構(gòu)建統(tǒng)一而可解析的高溫力學(xué)行為模型，為壽命預(yù)測(cè)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

在空間尺度上，深化對(duì)裂紋起源機(jī)制的認(rèn)識(shí)、揭示小尺度裂紋擴(kuò)展規(guī)律、建立材料與結(jié)構(gòu)多尺度失效的建模方法仍是難以回避的科學(xué)難題。同時(shí)，應(yīng)發(fā)展計(jì)算機(jī)輔助的虛擬試驗(yàn)與小試樣試驗(yàn)相結(jié)合的手段，并面向高溫芯片與光電子器件的微納制造，突破微納缺陷演變的快速測(cè)試與表征方法，建立微納結(jié)構(gòu)壽命測(cè)試與理論建模框架。

在時(shí)間尺度上，亟須深入揭示金屬與合金蠕變速率的應(yīng)力依賴機(jī)制，厘清低溫 / 中溫蠕變與疲勞、腐蝕、氫損傷、液態(tài)金屬脆化及輻照等多損傷機(jī)制的相互作用，并面向超長壽命應(yīng)用 (如核廢料存儲(chǔ)容器) 開展壽命預(yù)測(cè)研究。同時(shí)，應(yīng)發(fā)展能夠準(zhǔn)確刻畫損傷機(jī)制的加速壽命試驗(yàn)方法，以克服現(xiàn)有測(cè)試手段誤差大、跨尺度預(yù)測(cè)不足的局限。在高溫復(fù)雜環(huán)境下，由于失效過程難以完全由確定性模型描述，概率論與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法仍值得深入探索。

智能決策算法的引入將賦予高溫構(gòu)件壽命管理更高的實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性。基于物理建模與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合的混合建模范式，有望在數(shù)據(jù)稀疏、工況多變等典型工程條件下實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)壽命預(yù)測(cè)。同時(shí)，結(jié)合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多尺度特征提取與遷移學(xué)習(xí)等新興技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)從材料試驗(yàn)、過程監(jiān)測(cè)到壽命評(píng)估的全流程智能化建模與決策。

標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)與完善將是推動(dòng)研究成果走向工程轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵保障。一方面，應(yīng)加快制定面向高溫構(gòu)件多損傷評(píng)定、智能預(yù)測(cè)方法、小試樣評(píng)價(jià)技術(shù)等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)規(guī)范；另一方面，需建立多源數(shù)據(jù)開放共享機(jī)制與可追溯的模型驗(yàn)證平臺(tái)，促進(jìn)跨單位、跨領(lǐng)域間的協(xié)同創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化效率。

綜上所述，高溫機(jī)械強(qiáng)度研究正處于基礎(chǔ)突破與工程融合的關(guān)鍵階段。通過機(jī)制認(rèn)識(shí)的持續(xù)深化、方法路徑的持續(xù)演進(jìn)與平臺(tái)體系的協(xié)同構(gòu)建，有望建立更加完善的理論支撐與技術(shù)體系，全面賦能高溫結(jié)構(gòu)的智能設(shè)計(jì)、安全評(píng)估與服役管理。

致謝

本文研究工作部分得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助 (資助號(hào)：52130511)。作者衷心感謝華東理工大學(xué)李凱尚博士、王康康博士、孫莉博士、谷行行博士、聶文睿博士、唐源澤博士，西南交通大學(xué)康國政教授、于超教授，南京工業(yè)大學(xué)王小威教授、李恒博士、許樂博士，南京航空航天大學(xué)江榮副教授，天津大學(xué)陳旭教授、石守穩(wěn)副教授，西北工業(yè)大學(xué)孫興悅副教授，杭州電子科技大學(xué)賀君敬副研究員以及中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)材料分會(huì)高溫材料及強(qiáng)度委員會(huì)。

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（注，原文標(biāo)題：高溫機(jī)械強(qiáng)度若干前沿探索與展望）

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