镍基单晶合金因其优秀的高温性能广泛应用于航空发动机和燃气轮机的涡轮叶片。涡轮机工作时，涡轮叶片反复承受着高温高压气体的冲刷，以及发动机开启、停止时叶片周围环境温度的大范围变化而导致的热应力，这些极端恶劣的循环载荷导致涡轮叶片频繁发生低周疲劳破坏。研究镍基单晶合金的断裂行为以及疲劳裂纹扩展速率，对航空发动机和燃汽轮机叶片安全设计和可靠性评估具有重要意义。本文采用内聚力模型研究镍基单晶合金的裂纹扩展行为。镍基单晶的本构行为用晶体塑性理论来描述，裂纹的启裂和扩展用内聚力模型来模拟，裂纹可能扩展路径的模拟通过在有限元网格间的公共界面上布置内聚力（Cohesive）单元来实现。本文主要的工作有：首先，提出了基于内聚力模型的单晶断裂启裂及扩展分析的跨平台（ANSYS和ABAQUS平台）有限元建模方法。该方法通过编写APDL实现初始模型的建立、模型打散、Cohesive单元形成以及组件定义等前处理流程，再导入ABAQUS中进行计算和后处理。其次，研究了镍基单晶合金三维紧凑拉伸试样（CT）I型裂纹的扩展行为。通过考察裂尖区域分剪切应力、Mises应力、滑移面正应力等分布，以及裂尖附近滑移系开动规律，根据应变能密度准则分析了裂纹启裂和扩展的内部机制，着重讨论了裂尖前缘沿厚度方向上各物理量的变化趋势。最后，基于内聚力模型，研究了镍基单晶合金二维CT试样的疲劳裂纹扩展行为。通过分析不同的晶体取向、应力比、加载频率等因素对疲劳裂纹扩展速率的影响，探讨了镍基单晶合金的疲劳破坏机理；给出了应力比、裂纹尖端张开位移（CTOD）与疲劳裂纹扩展速率的关系。旨在为单晶结构疲劳寿命预测提供借鉴。