由于航空发动机和能源系统对性能极限的不断追求，GH4738超合金因其优异的蠕变和疲劳抗力而被认为是一种不可或缺的高性能结构材料[Wang et al., 2011; Guo et al., 2025; Shi et al., 2025]。然而，在复杂的多元应力状态（如剪切主导的条件和高/低应力三轴性）和机械载荷的共同作用下，其长期服役可靠性仍然高度依赖于可预测和可外推的本构模型的支持[Li et al., 2022; Shang et al., 2023; Lindroos et al., 2022; Hu et al., 2017]。遗憾的是，传统的现象学模型难以在统一的框架内捕捉微观结构因素（包括晶体纹理、晶粒尺寸和孔洞损伤）对宏观力学行为的耦合效应，从而限制了它们在复杂服役环境中的预测能力[Wei et al., 2026; Xu et al., 2024; Kharouji et al., 2025; Lin et al., 2021]。因此，有必要超越单一尺度的宏观方法，建立一个结合微观物理机制并描述跨尺度损伤演变的本构框架，以评估复杂服役条件下的结构完整性。
在过去几十年中，随着对材料损伤和断裂行为的理解不断深入，宏观连续介质损伤力学模型已被广泛用于预测材料的延性断裂行为[Dayani et al., 2025; Christodoulou et al., 2023; Baruah et al., 2025; Yang et al., 2023]。为了捕捉微观结构演变，介观损伤理论（如Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) 模型）已成为描述孔洞形核、生长和聚合的经典框架[Wu et al., 2022; Wang et al., 2019; Lou et al., 2012; Bai et al., 2010]。基于GTN框架，Li et al. (2021) 提出了一种改进的GTN-Thomason准则，通过引入尺寸效应和剪切修正，增强了该模型对微观尺度塑性变形的适用性。Abdolvand et al. (2022) 也证实了该改进准则在预测微制造过程中的延性断裂方面的有效性。尽管这些介观模型在描述孔洞演变方面取得了显著进展，但它们将基体视为均匀连续体，并忽略了晶粒尺度上的位错介导的晶体剪切滑移[Chen et al., 2024; Jeong et al., 2023; Hardie et al., 2023]。这种简化阻碍了对由晶粒取向不匹配和晶界处位错堆积引起的各向异性变形的准确表征，限制了它们在复杂应力状态下预测晶粒级异质变形和局部损伤的能力。
作为微观结构和宏观力学之间的桥梁，晶体塑性有限元方法被广泛用于分析多晶金属的复杂变形行为[Wei et al., 2025; Rezwan et al., 2025; Sarmah et al., 2024; Patil et al., 2021; Warwick et al., 2023]。与现象学模型不同，基于位错密度的晶体塑性（DDCP）模型通过结合位错增殖、湮灭和相互作用的物理机制，提供了对加工硬化和路径依赖性的更全面理解[Zhou and Bettaieb, 2025; Krasnikov et al., 2025; Eghtesad et al., 2023; Agaram et al., 2021; Fischer et al., 2024]。例如，Hunter et al. (2022) 通过在晶体塑性框架内精确耦合滑移阻力演变和背应力机制，实现了在复杂加载条件下金属成形过程和回弹几何的高保真预测。此外，晶粒尺寸效应对多晶材料的力学行为起着关键作用。通过在DDCP框架中引入Hall-Petch关系，有效表征了晶界对位错运动的阻力，从而能够在不同的微观结构条件下准确预测流动应力和加工硬化率[Zheng et al., 2022; Shang et al., 2020; Cappola et al., 2024; Zhou et al., 2024]。
尽管现有的DDCP模型在描述塑性变形方面已经相当成熟，但在预测延性断裂方面仍面临重大挑战[Sénac et al., 2024; Xu et al., 2025; Song et al., 2024; Wang et al., 2025]。断裂是一个渐进过程，由损伤积累驱动，而不仅仅是简单的塑性不稳定性。早期的研究主要采用解耦方法，通过后处理应力场来预测失效，这忽略了损伤对材料承载能力的软化效应。为了解决这些问题，Sénac et al. (2024) 提出了一种考虑晶间孔洞生长的屈服准则，为多晶材料中延性断裂损伤演变的精确表征提供了物理基础，量化了晶粒内部和晶界沿线的塑性屈服之间的相互作用；然而，这种方法主要关注断裂演变的初始阶段。对于超合金的延性断裂，还需要进一步考虑孔洞演变。然而，大多数现有的耦合模型主要集中在拉伸载荷下的孔洞体积生长，而对剪切主导的孔洞变形和聚合机制的表征仍不够充分[Liu et al., 2025; Zhu et al., 2023; Wang et al., 2023; Lou et al., 2014]。因此，开发一个将位错密度演变与损伤耦合的多机制模型，涵盖完整的“形核-生长-剪切”过程，是预测超合金在复杂应力状态下失效行为的前提。
随着本构框架中物理机制复杂性的增加，未确定参数的增多使得校准成为预测准确性的关键瓶颈。传统的“试错”方法效率低下，无法保证参数集的唯一性。为了解决这些挑战，基于机器学习的智能优化算法已成为多尺度建模中的重要趋势。特别是贝叶斯优化，在处理高维复杂问题方面表现出显著优势，对于确定晶体塑性常数尤为有效。最近的研究已经实现了这种算法的快速参数校准（Yamanaka et al., 2020），并进一步验证了其在识别金属材料属性方面的稳健性（Lu et al., 2025）。证据表明，贝叶斯优化在降低计算成本的同时，提高了参数识别的物理一致性。
鉴于上述背景，本文通过将DDCP与多机制孔洞损伤模型相结合，开发了一个多尺度本构框架，以预测GH4738超合金在各种应力状态下的延性失效行为。遵循连续介质微观力学中的既定术语，“多尺度”在这里表示微观晶粒尺度与宏观试样尺度之间的分层桥接，其中显式耦合的物理过程在介观连续介质范围内进行。在宏观尺度上，采用的数值方案采用“每个晶粒一个元素”的有限元描述，其中晶体取向基于电子背散射衍射（EBSD）数据确定，晶粒尺寸效应通过Hall-Petch项纳入考虑。在微观尺度上，实现了EBSD微观结构的重建。使用贝叶斯优化在代表性体积元素（RVE）级别校准弹塑性参数，而对于高和低应力三轴比试样的损伤参数，则通过分层逆向识别方法确定。通过结合位错密度演变与孔洞形核、生长和聚合过程的内在耦合，本研究为解析微观结构失效机制提供了独特的视角（详细实施过程见图1）。通过比较实验结果和模拟结果，系统地分析了应力状态、晶体纹理和局部晶粒组合对损伤演变和断裂行为的影响。
