鑄件中顯微孔洞特征及其對(duì)疲勞壽命影響的研究進(jìn)展

姜文，姚衛(wèi)星,2，王英玉

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)(2.南京航空航天大學(xué) 飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

0 引 言

以鎳基高溫合金和高質(zhì)量鑄造鋁合金為代表的高端鑄造合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造的基礎(chǔ)，在航空航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]，但是在服役過(guò)程中往往承受交變載荷和高溫作用，產(chǎn)生循環(huán)塑性變形累積而導(dǎo)致疲勞失效[3]。疲勞失效裂紋往往萌生于孔洞處，并在孔洞處有較大的裂紋擴(kuò)展速率[4]，使得孔洞缺陷成為制約其疲勞壽命的關(guān)鍵因素之一。隨著鑄造技術(shù)的提高，宏觀孔洞已經(jīng)能夠基本消除，但是依舊無(wú)法避免枝晶間顯微孔洞的產(chǎn)生[5-6]。這些顯微孔洞尺寸范圍通常在幾微米至幾百微米之間，形狀較為復(fù)雜，它們的存在破壞了基體的連續(xù)性，在變形過(guò)程中造成應(yīng)力集中，成為疲勞失效的裂紋源頭，嚴(yán)重降低了結(jié)構(gòu)疲勞壽命[7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外也有一些關(guān)于鑄件中顯微孔洞方面的綜述。例如，侯延輝等[8]綜述了鑄造氣孔物理模型的研究進(jìn)展；張杰等[9]綜述了鑄件中孔洞缺陷對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的影響；康茂東等[10]綜述了鑄件中顯微疏松缺陷的表征方法及其對(duì)疲勞性能的影響；P.D.Lee等[11]綜述了鑄造鋁合金中顯微孔洞物理模型；A.R.Adamane等[12]綜述了合金液注入?yún)?shù)對(duì)顯微孔洞形成及鑄件拉伸性能的影響。目前相關(guān)綜述主要集中在顯微孔洞形成模型和試驗(yàn)表征，關(guān)于微孔洞對(duì)疲勞性能影響的綜述較少，尤其缺乏不同顯微孔洞特征參數(shù)(例如孔洞尺寸、孔洞外貌、空間分布、體積分?jǐn)?shù)等)對(duì)疲勞壽命定量影響的綜述。

本文主要以鎳基高溫合金和鑄造鋁合金為例綜述鑄件中顯微孔洞的類型及特征，顯微孔洞特征參數(shù)的分布規(guī)律，顯微孔洞最大尺寸預(yù)測(cè)方法，以及考慮不同顯微孔洞特征的鑄件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，并對(duì)顯微孔洞特征對(duì)疲勞壽命影響的研究進(jìn)行展望。

1 顯微孔洞的類型及特征

顯微孔洞類型如圖1所示，顯微孔洞按照其形成時(shí)間的先后可以歸結(jié)于三種：合金凝固過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)微孔；固溶熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的固溶微孔；以及服役過(guò)程中產(chǎn)生的蠕變微孔[13-15]。

(a)鑄態(tài)微孔 (b)固溶微孔 (c)蠕變微孔
圖1 顯微孔洞類型
Fig.1 Types of microporosities

1.1 鑄態(tài)微孔

鑄態(tài)微孔按照形成機(jī)理的不同可以分為縮松、縮孔和氣孔三類[16-18]?？s松的形成原因是元素偏析造成合金液局部凝固成密閉空間，空間內(nèi)合金液收縮后得不到補(bǔ)充?？s孔的形成原因是一次枝晶的生長(zhǎng)阻礙了合金液向枝晶間流動(dòng)，枝晶間合金液凝固后得不到補(bǔ)充。氣孔又可以分為析出性氣孔、傾入性氣孔和反應(yīng)性氣孔，形成的原因分別是合金液中溶解的氣體析出，型膜高溫下產(chǎn)生氣體傾入到合金液中，合金液中析氫等反應(yīng)產(chǎn)生氣體。

鑄態(tài)微孔的平均直徑在3 μm左右，75%的鑄態(tài)微孔的尺寸小于4 μm，只有個(gè)別鑄態(tài)微孔直徑超過(guò)10 μm[14]。不同類型的鑄態(tài)微孔外貌和空間分布差異較大，縮松一般產(chǎn)生于沿重力方向的枝晶間，以長(zhǎng)條狀疏松通道出現(xiàn)；縮孔主要產(chǎn)生于枝晶間兩相共晶組織附近，主要呈現(xiàn)不規(guī)則的長(zhǎng)條形和三角形[17]；析出性氣孔在氣體含量較低時(shí)為多角形狀，在氣體含量較高時(shí)為近球形，傾入性氣孔外形一般為梨形，梨尖指向氣體傾入方向[16，18]。鑄態(tài)微孔的內(nèi)壁粗糙不平，數(shù)量約占所有顯微孔洞的80%，由于鑄造工藝的提高，合金中氣體含量控制的很低，鑄態(tài)微孔絕大多數(shù)是縮松和縮孔缺陷[19]。

1.2 固溶微孔

為了使鑄材內(nèi)部組織均勻，獲得良好的力學(xué)性能，必須對(duì)鑄材進(jìn)行固溶熱處理，這一過(guò)程中會(huì)形成固溶微孔。固溶微孔的形成原因目前主要認(rèn)為是基于Kirkendall效應(yīng)不平衡擴(kuò)散產(chǎn)生的空穴聚集[14]。固溶微孔的直徑主要在5～30 μm之間，平均直徑在8 μm左右，外貌多為球形或者近球形，內(nèi)壁相對(duì)平整光滑[13-14]?？臻g分布上遠(yuǎn)離自由表面固溶微孔的體積分?jǐn)?shù)降低，固溶微孔的數(shù)量約占所有顯微孔洞的10%[5]。

1.3 蠕變微孔

蠕變微孔的形成原因是材料在服役過(guò)程中承受蠕變載荷產(chǎn)生大應(yīng)變，蠕變應(yīng)力、蠕變時(shí)間以及蠕變溫度均會(huì)影響蠕變微孔的尺寸和數(shù)量[20]。蠕變微孔的直徑主要在2.5～30 μm之間，平均直徑在10 μm左右。在蠕變時(shí)間較短時(shí)蠕變微孔的外貌為近球形，隨著蠕變時(shí)間增加蠕變微孔的外貌逐漸向立方體轉(zhuǎn)化，蠕變微孔的數(shù)量約占顯微孔洞數(shù)量的10%[13]。

2 顯微孔洞特征參數(shù)分布規(guī)律

很多學(xué)者通過(guò)小尺寸試驗(yàn)件，采用定量金相法[22]、X射線斷層掃描[23-26]以及同步輻射光源[15-17,27]研究了鑄件中顯微孔洞的特征，本節(jié)通過(guò)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出鑄造合金中顯微孔洞特征參數(shù)的分布規(guī)律。

2.1 尺寸特征分布規(guī)律

顯微孔洞的尺寸d指與孔洞面積相等圓或體積相等球的直徑，目前普遍認(rèn)為鑄造合金中顯微孔洞尺寸服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布[28-31]，對(duì)文獻(xiàn)[13]中四種標(biāo)準(zhǔn)熱處理后鎳基單晶高溫合金顯微孔洞尺寸分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合，如圖2所示，其中p為概率密度，μ為均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，R2為擬合相關(guān)系數(shù)。

(a)CMSX-10合金(μ=2.489 5,σ=0.352 6,R2=0.97)

(b)CMSX-4合金(μ=2.071 1,σ=0.344 9,R2=0.98)

(c)CMSX-6合金(μ=1.896 7,σ=0.347 9,R2=0.98)

(d)SRR99合金(μ=1.881 9,σ=0.476 4,R2=0.97)圖2 顯微孔洞尺寸對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合結(jié)果Fig.2 The lognormal distribution fitting results of microporosity size

從圖2可以看出：擬合曲線相關(guān)系數(shù)均較高，并且試驗(yàn)曲線在孔洞尺寸較大時(shí)與對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合曲線重合度更高，因此對(duì)數(shù)正態(tài)分布可以很好地描述顯微孔洞尺寸的分布規(guī)律。

2.2 形狀特征分布規(guī)律

(a)CMSX-10合金對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合結(jié)果(μ=0.070 4,σ=0.047 0,R2=0.94)

(b)CMSX-10合金Weibull分布擬合結(jié)果(λ=4.384,k=23.95,R2=0.99)

(c)CMSX-4合金對(duì)數(shù)正態(tài)分布擬合結(jié)果(μ=0.039 7,σ=0.025 1,R2=0.97)

(d)CMSX-4合金Weibull分布擬合結(jié)果(λ=4.814,k=43.77,R2=0.97)圖3 顯微孔洞形狀分布擬合結(jié)果Fig.3 The fitting results of microporosity shape distribution

2.3 空間特征分布規(guī)律

顯微孔洞的空間分布可以分為試驗(yàn)件凝固方向分布和厚度方向分布，為方便比較不同尺寸試件中空間分布規(guī)律，將孔洞與自由表面的距離除以所在方向上最大試件尺寸得到相對(duì)距離。馮廣召等[32]研究了不同抽拉速率下DZ125合金凝固方向孔洞面積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，如圖4所示，結(jié)果表明遠(yuǎn)離澆口的部分孔洞分布相對(duì)均勻，但靠近澆口的部分孔洞面積分?jǐn)?shù)明顯升高，萬(wàn)謙[26]在鑄造鋁合金中也發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律。喻程等[16]研究了鋁合金厚度方向孔洞數(shù)量分布規(guī)律，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)孔洞數(shù)量在試件表面分布有一定波動(dòng)，遠(yuǎn)離自由表面孔洞數(shù)量緩慢增多，但在靠近試驗(yàn)件中心后孔洞數(shù)量迅速降低，作者認(rèn)為顯微孔洞空間特征可以用多項(xiàng)式函數(shù)擬合。

圖4 凝固方向孔洞面積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 Area fraction distribution of microporosity in the solidification direction

圖5 厚度方向孔洞數(shù)量分布Fig.5 Quantity distribution of microporosity in the thickness direction

2.4 大尺寸顯微孔洞特征參數(shù)間的聯(lián)系

鑄件表面或者近表面尺寸較大的孔洞往往對(duì)疲勞失效影響很大[33-35]，這些尺寸較大的顯微孔洞，其尺寸、形狀和空間分布之間存在一定的聯(lián)系。為了比較不同材料、不同尺寸試件中較大尺寸顯微孔洞特征參數(shù)間的聯(lián)系，需將孔洞尺寸除以試件中最大孔洞尺寸得到相對(duì)尺寸。文獻(xiàn)[16,23,36]中相對(duì)尺寸大于0.5的顯微孔洞圓整度分布數(shù)據(jù)如圖6所示，結(jié)果表明試件中尺寸越大的顯微孔洞圓整度也較低，大尺寸顯微孔洞的尺寸和圓整度近似線性關(guān)系。文獻(xiàn)[16,17,36]中相對(duì)尺寸大于0.5的顯微孔洞厚度方向空間分布數(shù)據(jù)如圖7所示，結(jié)果表明尺寸較大的顯微孔洞傾向于出現(xiàn)在距離自由表面較近的地方，并且最大孔洞往往在距離自由表面相對(duì)距離為0.1的地方聚集。因此尺寸特征尤其最大尺寸可以作為顯微孔洞的典型特征來(lái)評(píng)估鑄件的疲勞壽命。

圖6 大尺寸孔洞尺寸與形狀的分布規(guī)律Fig.6 Distribution pattern of large-size microprosity between size and shape

圖7 大尺寸孔洞尺寸與空間的分布規(guī)律Fig.7 Distribution pattern of large-size microprosity between size and location

3 顯微孔洞最大尺寸預(yù)測(cè)方法

對(duì)于大尺寸鑄件，采用試驗(yàn)方法觀測(cè)顯微孔洞最大尺寸很難實(shí)現(xiàn)，因此常常在大尺寸鑄件表面隨機(jī)選擇N個(gè)面積很小的區(qū)域S0，收集相關(guān)統(tǒng)計(jì)量，采用統(tǒng)計(jì)方法預(yù)測(cè)大尺寸鑄件中顯微孔洞的最大尺寸。常用的預(yù)測(cè)方法有三種：對(duì)數(shù)正態(tài)分布外推法[37]，極大值分布法[38-40]和廣義Pareto分布法[41-42]。

3.1 對(duì)數(shù)正態(tài)分布外推法

xV=exp{μ+σφ-1(1-(NVV)-1)}

(1)

(a)j=1,…,6 (b)j=1,…,5 (c)j=1,…,7
圖8 對(duì)數(shù)正態(tài)分布外推法統(tǒng)計(jì)量
Fig.8 Statistics of log-norm distribution extrapolation method

從式(1)可以看出：隨著鑄件體積的增大，預(yù)測(cè)值及置信區(qū)間均增大，與實(shí)際不相符。此外對(duì)數(shù)正態(tài)分布外推法需要統(tǒng)計(jì)大量顯微孔洞尺寸的信息來(lái)獲得擬合度較好的對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)，這在實(shí)際操作中有兩大難度[43]：一是尺寸很小的顯微孔洞受儀器的限制無(wú)法被觀測(cè)到；二是數(shù)量較少的大尺寸顯微孔洞對(duì)分布函數(shù)影響較大，結(jié)果穩(wěn)定性不高。

3.2 極大值分布法

xV=-αln{-ln[(T-1)/T]}+λ

(2)

(3)

再將y=-ln{-ln[(T-1)/T]}代入式(3)即可得到xV的估計(jì)。

(a)i=1 (b)i=2 (c)i=N
圖9 極大值分布法統(tǒng)計(jì)量
Fig.9 Statistics of maximum distribution method

從式(2)～式(3)可以看出：隨著鑄件體積的增大，極大值分布法得到的顯微孔洞尺寸極大值預(yù)測(cè)值及置信區(qū)間線性增大，與實(shí)際不符。但是極大值分布法只需要統(tǒng)計(jì)每一個(gè)區(qū)域中的尺寸最大值，避免了尺寸較小觀察不到的情況，減少了樣本統(tǒng)計(jì)工作量。

3.3 廣義Pareto分布法

廣義Pareto分布法假設(shè)顯微孔洞尺寸服從特定分布，其中大于一定門(mén)檻值的顯微孔洞尺寸x服從廣義Pareto分布，該分布有三個(gè)參數(shù)，尺寸門(mén)檻值μ，尺度參數(shù)σ和形狀參數(shù)ξ，如圖10所示。

(a)j=1,…,3 (b)j=1,…,4 (c)j=1,2
圖10 廣義Pareto法統(tǒng)計(jì)量
Fig.10 Statistics of generalized Pareto distribution method

該方法需要統(tǒng)計(jì)每一區(qū)域中尺寸大于μ的顯微孔洞尺寸信息，工程上常采用作圖法確定參數(shù)，選擇不同的門(mén)檻值μk，求出超過(guò)μk的所有尺寸的平均值xk，做μk-xk散點(diǎn)圖如圖11所示，找出線性較好的一段進(jìn)行擬合，線性段開(kāi)始的值即門(mén)檻值μ，對(duì)于光學(xué)顯微鏡該值一般為3 μm[41]，再由擬合直線的斜率ξ/(1-ξ)和截距σ/(1-ξ)求得參數(shù)σ和ξ的估計(jì)值。精確度要求較高時(shí)可以采用最大似然估計(jì)法求解三個(gè)參數(shù)的估計(jì)值，但是計(jì)算量較大。

假設(shè)體積V的鑄件中最大微孔洞尺寸為xV，NV(μ)表示體積V中尺寸超過(guò)門(mén)檻值μ的微孔洞數(shù)量，則可以得到顯微孔洞最大尺寸預(yù)測(cè)值。

(4)

形狀參數(shù)ξ對(duì)廣義Pareto分布法的參數(shù)估計(jì)，尺寸預(yù)測(cè)值及其置信區(qū)間寬度影響很大[42]，如果形狀參數(shù)ξ<0，則最大尺寸預(yù)測(cè)值存在上限xV=-μ-σ/ξ，更符合實(shí)際情況。一般情況下廣義Pareto法的預(yù)測(cè)結(jié)果比極大值分布法小，但置信區(qū)間比極大值分布法寬。當(dāng)ξ≈0，廣義Pareto分布法和極大值分布法的估計(jì)值相近，其他情況下廣義Pareto分布法的估計(jì)結(jié)果優(yōu)于極大值分布法[45]。但是該方法在確定門(mén)檻值時(shí)比較麻煩，需要統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)也比極大值分布法多，在實(shí)際操作中要比極大值分布法復(fù)雜。

圖11 廣義Pareto法參數(shù)圖解法Fig.11 Graphic method of generalized Pareto distribution parameters

4 含顯微孔洞鑄件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

鑄件中顯微孔洞缺陷對(duì)疲勞壽命影響較大，研究發(fā)現(xiàn)疲勞失效裂紋優(yōu)先在表面或者近表面微孔洞處萌生，在內(nèi)部微孔洞萌生裂紋時(shí)往往孔洞尺寸較大。同時(shí)孔洞的形狀和位置會(huì)影響裂紋的擴(kuò)展方向和擴(kuò)展速度，在載荷循環(huán)初期內(nèi)部和表面孔洞的裂紋擴(kuò)展速度相差不大，但隨著循環(huán)進(jìn)行，差異越來(lái)越大，最終表現(xiàn)為由表面或者近表面孔洞引起疲勞失效。很多學(xué)者研究了顯微孔洞特征參數(shù)與疲勞壽命之間的關(guān)系，本節(jié)按照顯微孔洞特征進(jìn)行分類，介紹了考慮不同特征的鑄件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。

4.1 考慮尺寸特征的鑄件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

顯微孔洞尺寸特征尤其最大尺寸可以作為典型特征來(lái)評(píng)估鑄件的疲勞壽命，但是只有尺寸大于一定臨界值的顯微孔洞，才會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生影響。宋哲等[17]認(rèn)為7020鋁合金中臨界尺寸為30 μm，Buffiere等[23]認(rèn)為Al-Si7-Mg0.3鑄造鋁合金中臨界尺寸為50 μm。

Y.Murakami[44]最早將孔洞在垂直于載荷方向上最大投影面積的開(kāi)方等效成孔洞的尺寸，較為方便地構(gòu)建了孔洞尺寸特征與疲勞壽命的關(guān)系。Yi J Z等[46]將孔洞尺寸當(dāng)成初始裂紋長(zhǎng)度a0，通過(guò)Paris公式預(yù)測(cè)了含孔洞A356-T6鋁合金的疲勞壽命。隨后Yi J Z等[29]認(rèn)為Paris公式針對(duì)長(zhǎng)裂紋提出，不適合顯微孔洞這樣的小裂紋，應(yīng)該采用基于微觀組織結(jié)構(gòu)的位錯(cuò)模型計(jì)算裂紋萌生壽命Ni，采用小裂紋擴(kuò)展公式計(jì)算裂紋擴(kuò)展壽命Np，則疲勞壽命Nf=Ni+Np，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Ni與Np的計(jì)算公式如式(5)～式(6)所示，其中，C0，α，β和k0為材料參數(shù)；kσ與微孔洞等效尺寸有關(guān)；λ2為二次枝晶臂寬度；σa為應(yīng)力幅值；σY為材料屈服應(yīng)力；C，s和t為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

(5)

(6)

M.Murat[37]利用圖12中A356-T6鋁合金試驗(yàn)數(shù)據(jù)，假設(shè)孔洞尺寸服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，建立了失效裂紋萌生處孔洞尺寸與疲勞壽命的統(tǒng)計(jì)模型，如式(7)所示，該模型計(jì)算值與試驗(yàn)值的吻合度高于對(duì)數(shù)正態(tài)分布和Weibull分布的結(jié)果。其中，λ和δ為孔洞尺寸對(duì)數(shù)正態(tài)分布參數(shù)；B，Ni和m為擬合參數(shù)。

P(Nf)

(7)

圖12 不同應(yīng)力幅值下最大孔洞尺寸與疲勞壽命關(guān)系Fig.12 The relation between the maximum porosity size and fatigue life under different stress amplitudes

4.2 考慮形狀特征的鑄件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

張心響[47]通過(guò)有限元分析法研究了扁橢球型孔洞橢圓度(長(zhǎng)軸與短軸之比)對(duì)鑄造鋁合金疲勞壽命的影響，結(jié)果如圖13所示，表明孔洞橢圓度與疲勞壽命服從指數(shù)分布，橢圓度越大疲勞壽命越低。

圖13 不同應(yīng)力幅值下孔洞形狀與疲勞壽命關(guān)系Fig.13 The relation between the maximum porosity shape and fatigue life under different stress amplitudes

K.M.Beckermann等[48]提出了一種考慮顯微疏松形狀的8630鑄鋼疲勞壽命計(jì)算公式，如式(8)所示，其中，A和n為材料常數(shù)；a，a0和af分別為裂紋長(zhǎng)度，顯微疏松尺寸和裂紋斷裂長(zhǎng)度；σmax和F分別為最大應(yīng)力和孔洞圓整度。但該方法不適用于含有較大尺寸復(fù)雜形貌的顯微疏松缺陷鑄件疲勞壽命的預(yù)測(cè)。

(8)

4.3 考慮空間特征的鑄件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

Vanderesse等[36]通過(guò)試驗(yàn)研究了鑄造鋁合金中失效裂紋萌生處顯微孔洞位置與疲勞壽命之間的關(guān)系，結(jié)果如圖14所示，表明失效孔洞距離自由表面越遠(yuǎn)，疲勞壽命越長(zhǎng)。很多學(xué)者提出在孔洞尺寸前乘以一個(gè)形狀因子表明孔洞位置對(duì)疲勞壽命的影響，Murakami[49]建議表面孔洞形狀因子取0.65，近表面孔洞形狀因子取0.5。

圖14 失效裂紋萌生處孔洞位置與疲勞壽命關(guān)系(應(yīng)力比R=-1)Fig.14 The relation between the failure porosity location and fatigue life(stress ratio R=-1)

(9)

5 結(jié)束語(yǔ)

為數(shù)眾多的顯微孔洞為顯微縮松和縮孔，它們具有不規(guī)則的三維形貌，內(nèi)壁粗糙不平整，會(huì)引起較大的應(yīng)力集中，對(duì)疲勞壽命的影響更為顯著。未來(lái)應(yīng)該進(jìn)一步明確縮松和縮孔形成的機(jī)制，制定相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)控制其數(shù)量和質(zhì)量，指導(dǎo)鑄件的工藝設(shè)計(jì)。

顯微孔洞尺寸特征的分布規(guī)律較好地服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，形狀特征的分布規(guī)律服從Weibull分布，空間特征的分布規(guī)律較為復(fù)雜。后續(xù)研究應(yīng)該收集顯微孔洞尺寸特征、形狀特征和空間特征的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建孔洞特征參數(shù)的多維分布模型，綜合評(píng)定顯微孔洞不同特征參數(shù)分布對(duì)疲勞壽命的影響。

顯微孔洞尺寸特征尤其最大尺寸可以作為典型特征來(lái)評(píng)估鑄件的疲勞壽命，顯微孔洞最大尺寸的預(yù)測(cè)方法中廣義Pareto分布的預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)于極大值分布法。未來(lái)應(yīng)該進(jìn)一步研究含孔洞材料疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，明確不同材料顯微孔洞臨界尺寸，使得最大尺寸的預(yù)測(cè)結(jié)果有明確比較對(duì)象，指導(dǎo)鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

含顯微孔洞鑄件的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型還不成熟，目前研究主要集中在實(shí)驗(yàn)定性和宏觀唯象模型，已有的定量預(yù)測(cè)模型主要關(guān)注的是簡(jiǎn)單載荷下顯微孔洞的尺寸特征，復(fù)雜載荷下考慮形狀和空間特征、以及孔洞間相互影響的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究較少。后續(xù)應(yīng)該研究顯微孔洞在多軸和高溫等復(fù)雜載荷下考慮不同顯微孔洞特征參數(shù)、以及不同孔洞間相互影響的疲勞壽命定量預(yù)測(cè)模型。

孔洞導(dǎo)致疲勞失效相關(guān)機(jī)理的研究主要集中在簡(jiǎn)單載荷下孔洞處裂紋萌生和擴(kuò)展，一般認(rèn)為疲勞失效裂紋優(yōu)先在表面或者近表面孔洞處萌生，孔洞的形狀和位置會(huì)影響裂紋的擴(kuò)展方向和擴(kuò)展速度。復(fù)雜載荷下孔洞導(dǎo)致疲勞失效的機(jī)理研究還較少，比如鎳基單晶高溫合金的疲勞失效機(jī)理強(qiáng)烈依賴溫度，取向偏離、加載頻率等，此時(shí)微孔洞的疲勞失效機(jī)理有待進(jìn)一步研究。未來(lái)可以依靠先進(jìn)光源展開(kāi)原位疲勞實(shí)驗(yàn)或者分子動(dòng)力學(xué)仿真來(lái)研究復(fù)雜載荷下孔洞疲勞失效的微觀機(jī)理。