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 14 试样裂纹扩展特性

正文中引用本图/表的段落

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。

使用FRANC3D将整个有限元模型分为全局域和局部域，所有模拟都在3D环境中进行，如图16所示。在构建裂纹前缘区域的网格时，裂纹尖端被1层具有15个节点的楔形单元（适当的节点移动到1/4的位置）和1层具有20个节点的块单元包围。裂纹前缘附近的所有元素都有直边，可以使用分段直线有效地近似弯曲的裂纹前缘（图16（a））。如果采用弯曲几何元素，则无需考虑直裂纹前段M积分中出现的附加项。M积分的积分域由以单元边缘节点为中心的二次权函数（虚拟裂纹扩展）的前2层单元组成。由于未知裂纹扩展率具体函数表达式，因此仅使用了准静态裂纹扩展，并插入了类似图14的等效小椭圆裂纹并使其不断扩展，如图16（b）所示。

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 6 孔边对称裂纹的J^{\mathrm{e}\mathrm{p}}解
  
• 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 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