镍基单晶飞秒激光制造气膜孔疲劳断裂行为 航空学报    2026, 47 (5): 432400-432400.   DOI: 10.7527/S1000-6893.2025.32400

图 6 孔边对称裂纹的J^{\mathrm{e}\mathrm{p}}解

正文中引用本图/表的段落

由于M积分法适用于计算直线裂纹的混合模态应力强度因子，也适用于任意弯曲相互作用裂纹生长过程中应力强度因子的分离，使用三维M积分的裂纹尖端Jep积分可弥补对于倾斜裂纹描述的不足。在裂纹萌生期间，裂纹尖端的塑性区变得显著，裂纹扩展驱动力一般表示为三维J积分，通过虚拟裂纹扩展进行求解［29］。为了清楚说明两者差别，图6简化了气膜孔边缘三维模型，以二维情况概述了M积分路径。图中红线表示包含气膜孔和裂纹的积分路径。考虑到M积分的路径独立性和循环载荷条件，将裂纹尖端塑性区完全被弹性变形材料包围，积分路径呈对称环形（黄线），从而解决了在塑性区内使用传统J积分路径时遇到的卸载问题（绿线）。借鉴文献［21，30］的积分方法，建立M积分和Jep积分随裂纹长度a的变化关系：

图14为试样断裂路径和对应断口图。在试样背面和正面观察到的裂纹首先从孔边缘沿平行路径延伸一定长度，随后以锯齿形状改变扩展方向直至失效。从试样断口图可以看到裂纹以近似椭圆的形状沿着垂直于载荷的方向在材料中扩展，最终的断裂轮廓对应于逆时针旋转约6°的椭圆平面。由于试验过程中引起的高温氧化完全覆盖了裂纹萌生区的实际形态，无法从断裂面观察到准确裂纹萌生点，因此，基于椭圆断裂面几何中心，仅使用观测中偶尔捕捉到的径向线条纹来推断裂纹萌生，从而近似裂纹起源区（图中孔壁白色圆点）。与此同时，疲劳加载过程中气膜孔的变形与裂纹萌生位置如图15所示。气膜孔几何形状发生了明显的变化，由初始的圆孔变成了椭圆孔，引起塑性重分布不均匀，从而导致了裂纹起始点的不对称。

本文的其它图/表

• 图 1 试样尺寸和真实试样
  
• 表1 飞秒激光制孔工艺主要参数
  
• 表2 试验参数
  
• 图 2 高温疲劳裂纹扩展试验设备
  
• 图 3 仿真模型与边界条件
  
• 图 4 热膨胀系数
  
• 图 5 应力应变与应变能的关系
  
• 图 7 沿厚度方向的几何轮廓
  
• 图 8 气膜孔边缘微观结构特征
  
• 图 9 化学元素分布图
  
• 表3 ｛311｝晶面位置参数值
  
• 图 10 X射线衍射试验坐标系
  
• 图 11 熔融体喷射与小孔形成过程
  
• 图 12 孔边应力场云图
  
• 图 13 裂纹扩展的原位观察
  
• 图 14 试样裂纹扩展特性
  
• 图 15 气膜孔几何特征变化和裂纹萌生
  
• 图 16 裂纹扩展参数计算
  
• 图 17 裂纹长度与J^{\mathrm{e}\mathrm{p}}的关系
  
• 图 18 气膜孔疲劳裂纹扩展率