第1章绪论
1.1背景及意义
1.1.1叶片结构完整性要求
在航空发动机研制中，工作在高温、高压、高转速下的涡轮叶片，承受了离心、气动、热、振动等多种载荷的共同作用，其服役环境恶劣，受力复杂，因此对其寿命和可靠性提出了更高的要求。涡轮叶片研制的整个周期涉及材料、设计、制造、试验测试等多个专业领域，设计中气动、传热、结构强度等多学科迭代；制造时材料、铸造、特种工艺等多环节作用；试验时模拟件-真实件-单元体-整机多层级验证等。涡轮叶片是发动机研制中*难攻克的技术之一，各国对此投入巨大。可以说，涡轮叶片的研发能力和水平，某种程度上代表了其所属航空发动机的先进程度，甚至体现了一个国家的整体制造能力。在发动机涡轮叶片研制过程中，结构完整性要求是保证其可靠性的先决条件，其中涉及了结构功能、强度、刚度（变形）、振动、疲劳、蠕变、损伤容限、寿命等方面内容，不仅与航空发动机的气动热力学问题相关，还与结构材料和制造工艺密切相关[1-10]。
1.1.2叶片本征力学性能测试的必要性
航空发动机服役过程中，其核心部件涡轮叶片通常在高温、高压、高转速条件下工作，载荷有离心、气动、热、振动等形式，恶劣的服役环境和复杂的受力状态导致其寿命和可靠性的设计和评估异常困难。目前，对于航空发动机涡轮叶片的小试样测试、研究和应用较少，镍基单晶合金力学行为和表征研究普遍基于单*铸造试样的试验。涡轮叶片通常由浇铸方式一次铸造成型，受浇铸模壳的形状差异影响，成型后叶片不同部位的微观组织结构、铸造缺陷和单*铸造的试样均存在较大差异。对于空心叶片，由于内部表面无法进行机械加工，其表面质量、局部薄壁效应等因素对涡轮叶片的疲劳性能有较大影响。因此，需要针对气冷镍基高温合金叶片的材料特征和结构特征，开发本征力学性能的测试方法和理论模型。
单*铸造的试样不适合用于研究镍基单晶涡轮冷却叶片的本征疲劳力学行为和描述模型，需要从叶片中直接取样。受到叶片可取材料的限制，传统疲劳试验标准（如《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》（GB/T15248—2008））的*小试样尺寸已不适用，因此需要发展小疲劳试样试验技术。图1.1为常规铸造镍基高温合金IN738制成的工业燃气轮机叶片及其金相检验和小试样位置示意图，图1.2为850℃下叶根和翼型截面提取的金相检测的位置和小尺寸试样。与叶根截面相比，服役过程中复杂载荷作用导致的微观结构变化使翼型截面的拉伸和低周疲劳性能降低。由于航空发动机燃气涡轮叶片使用年限的特殊要求，需要开发更小尺寸的小试样及测试方法，以应对单晶涡轮叶片及其热障涂层（thermalbarriercoatings，TBC）系统热机械性能评估过程中遇到的尺寸效应，涂层和基体材料之间的界面性能及多尺度表征等挑战。单晶涡轮叶片材料在蠕变、疲劳、黏弹性或蠕变-疲劳交互作用方面的性能，以及它们在温度、时间、特殊位置和方向上的变化，都是影响涡轮叶片性能的关键问题。
1.2标准试样测试方法
材料力学性能反映了材料在不同载荷与环境条件下的变形、损伤与断裂行为规律，主要包括强度、塑性、韧性和硬度等指标。材料力学性能具有两方面的作用。一方面，材料力学性能指标具有量化特征，广泛服务于工程领域，如工程结构设计、原材料的优化选择和产品的质量检测。另一方面，材料力学性能与材料的微观结构密切相关，基于目标力学性能，设计微观组织结构并选择合适的制备工艺，能够有效地加速材料的研发工作。因此，获取材料的力学性能具有十分重要的科学与工程意义[11-14]。
一般情况下，材料的力学性能通过相应的力学测试方法获取，如拉伸测试、硬度测试、蠕变测试、断裂韧性测试和疲劳测试等[11，12]。为了保证结果的一致性、唯一性和可重复性，力学测试通常需要按照相应的测试标准进行。这些标准详细规定了测试面临的关键问题，如样品几何尺寸、测试设备、测试流程、操作规范和数据分析方法等。经过多年的发展和完善，大多数测试标准已经日趋成熟和稳定。一些国家建立了完善的测试标准体系，如中国（GB）、美国（ASTM）、英国（BS）、德国（DIN）和日本（JIS），并在国际标准化组织（ISO）的框架下推动国际标准的制定工作。测试样品是力学测试的基本载体，其几何尺寸在测试标准中具有明确的规定[14，15]。满足标准规定的测试样品被称为标准试样，通常具有下列特征：①样品具有足够的几何尺寸，能够包含足够数量的微观特征（如晶粒、晶界、第二相和夹杂物等），以反映材料在宏观尺度下的力学行为；②样品在加载过程中能够满足一定的力学条件，如单轴拉伸均匀变形阶段下的单轴应力状态，断裂韧性测试中裂纹尖端的平面应变状态，使测试结果准确反映规定状态下的力学响应行为；③样品具有几何相似性（甚至唯一性），使样品依赖性指标能够实现相互比较，如材料的总延伸率和冲击韧性；④样品具有较为简单的几何形状，便于样品的机械加工和装卡操作。为了满足上述特性所需的力学条件，标准试样通常具有较为明确的尺寸下限。
在工程应用中，有许多部件常常在高温环境下工作，如发电厂的汽轮机叶片、航空发动机的涡轮叶片、超塑性成形的模具等，高温环境会引起材料的变形。为了预测这些部件的变形行为，需要了解材料的整体变形性能。图1.3为典型的常规单轴拉伸试样，常用于获得材料的整体力学性能。为了生成代表材料整体性能的数据，一般接受的经验法则如下：与测试材料的冶金特征（晶粒尺寸）相比，测量处截面的横截面积应该大。当然，有必要对此进行更好的量化。然而，可以肯定的是，在许多情况下，经验法则大大高估了对测量处截面尺寸的要求。此外，通常需要相对较大的直径（通常为8～10mm）和标距段长度（通常为40～80mm）来实现应变测量的高灵敏度和精度。具有相对较大的标距段长度通常允许高精度的平均应变测量。用于试样制造、试样校准、载荷控制、温度控制（时间和空间）、数据记录等方法都是完善且标准化的。
1.3小试样研究现状
在材料力学性能评估中，标准试样测试方法一直是*广泛采用的手段，尤其是当需要精确测量材料在常规条件下的应力应变行为时。然而，标准试样测试方法在特定条件下存在明显局限。例如，当材料体积受限、材料昂贵或试验环境复杂时，难以制备满足标准尺寸要求的样品。此外，标准试样通常要求较大的材料体积，这在新材料开发、微结构分析及服役状态评估中并不总是可行的。
为了应对这些挑战，小试样测试方法应运而生，逐渐成为材料力学性能评估的关键工具之一。小试样测试方法不仅能够在样品体积有限的情况下进行力学测试，还能为核科学、微电子工程、纳米材料等领域提供重要的试验数据。鉴于其应用广泛，小试样测试方法已经成为材料科学与工程研究的重点领域之一，并取得了显著的进展。关于小试样拉伸测试的研究工作主要可以分为三个方面，分别为样品尺寸效应及其表现形式、小试样与标准试样之间的数据关联和新型测量方法的应用。其中，研究样品尺寸效应能够从本质上理解测试结果的偏差，有助于指导样品的优化设计，使测试结果反映稳定的宏观力学性质。在此基础上，建立数据关联能够实现小试样与标准试样测试结果间的数据可比性，并挖掘更多的数据信息。此外，新型测量方法的应用能够提高测试精度，并弥补传统测量手段的不足。
当样品尺寸小于临界尺寸时，测试强度将会发生较为明显的偏差，但偏差方向与被测材料的韧脆性质有关。若被测材料的韧性较好，偏差的主要控制因素为表面晶粒具有的应力松弛效应。在这种情况下，样品尺寸减小能够提高表面晶粒占比，进而导致显著的表面应力松弛效应，使测试强度低于被测材料的本征强度。反之，若被测材料韧性较差，偏差的主要控制因素变为样品内的脆性特征微观结构，如脆性相、夹杂物或者长裂纹。对于这种情况，样品尺寸的减小能够降低样品内部的脆性微观结构，降低材料发生脆性断裂的概率，进而使测试强度高于被测材料的宏观本征强度。
1.3.1小试样拉伸测试的数据关联
由于标准试样几何形状的非唯一性，即使采用上述样品设计准则，小试样拉伸测试结果依然面临着与标准试样结果之间的数据关联问题。拉伸测试的数据关联方法较为成熟，通常可以分为总延伸率转换和真应力应变*线提取两大类。总延伸率指标具有显著的几何依赖性，为了实现与标准试样结果的直接对比，小试样的测量值通常需要进行数据转换。常用的转换方式有两类：**类为经验关联法，常用于工程领域，具有相应的标准；第二类为具有明确物理意义的方法，仅适用于应变率敏感性较低的材料。为了提升小试样测试结果的准确性，并获取更多的力学信息，有必要基于测试结果提取真应力应变*线。当小试样的几何形状较为特殊时，直接测量结果可能存在一定程度的误差。例如，当样品平行区域的长宽比较小时，拉伸*线将会显著偏离标准试样结果，无法反映材料的真实力学性能。另外，为了计算材料的断裂韧性和预测部件的断裂行为，需要获取材料颈缩阶段的应力应变响应。上述两类情况均需要基于测试结果提取被测材料的真应力应变*线。真应力应变*线可以采用两类策略获取。**类为解析型外推，如**的Bridgman[16]方法，但此方法只适用于圆棒样品，且准确程度受限。第二类为反向有限元方法[17-19]，该方法按照试验条件建立有限元模型，通过迭代收敛算法搜索*优的真应力应变*线作为模型输入，使模拟*线与试验*线之间的残差降至*低。该方法的精度较高，且具有良好的普适性，但需要耗费一定的计算资源。
1.3.2测试设备与新型测量技术
小试样拉伸测试需要采用专门的微型化测试设备进行。与普通试验机相比，微型化设备的载荷位移传感器具有量程小和精度高的特点，因此更适用于小试样测试。此外，微型测试设备通常配备了合适的样品卡具和卡具接口，具有更好的操作性和扩展性。样品的延伸率测量是小试样拉伸测试的难点。标准试样通常采用接触式引伸计进行延伸率测量。然而，该方法在通常情况下并不适用于小试样。这主要因为小试样的平行段通常较短，适用的引伸计极其有限。此外，小试样的刚度通常很低，采用接触式引伸计容易造成样品的意外变形，影响测试结果的准确性。为了解决上述问题，小试样平行区域的伸长量通常采用样品两端的伸长量近似表示。然而，这种近似处理不可避免地计入了样品平行区域外的变形量，因此存在一定程度的误差。近年来，随着非接触式应变测量技术的发展，小试样延伸率的测量问题得到了极大解决。常用的非接触式测量方法包括光学引伸计和数字图像相关（DIC）技术。前者采用激光干涉方法在样品表面形成特征纹理，通过追踪标距区域两端的表面纹理，实现延伸率的非接触测量。该方法对测试条件的要求较低，只需配备光学引伸计即可实现测量，因而较适用于工程检测。后者需要在样品表面制备特征标记物，采用连续拍照方式记录拉伸变形过程中的表面图像，通过图像识别算法建立像素子集的对应关系，进而得到样品表面的全场应变分布。该方法对测试条件的要求较高，但能够获取更多的数据信息，因此除了获取样品的延伸率之外，还可用于更加深入的数据分析工作。
通过上述分析可以看出，虽然材料的拉伸性能和应力应变*线可以通过不同的小试样测试方法获取，但在小试样尺度下，依然存在一些亟待解决的问题。
这些问题可以归纳为以下三个方面。
（1）小试样面临的样品尺寸效应问题。与常规尺寸的样品相比，小试样对加工缺陷的敏感程度更高。现有研究通常只考虑表面粗糙度和表面起伏对测试结果的影响，而忽略了样品表面轮廓偏差导致的测试结果偏差。实际上，以厚度非均匀性为代表的表面轮廓偏差可能导致测试结果发生显著离散，需要结合具体的测试方法加以量化评估。在此基础上，如何在现有的样品制备工艺和测试条件下有效抑制测试结果的离散程度，成为小试样测试面临的突出问题。
（2）间接法的数据关联与数据修正。随着计算能力的大幅提高，小冲杆和纳米压痕测试的数据提取倾向于采用反向有限元方法进行。合适的搜索算法是反向有限元方法的关键。常用的搜索算法包括传统优化算法和现代智能算法，前者的收敛速度较快，但容易陷入局部*
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