抗蠕變奧氏體不銹鋼是核電站結(jié)構(gòu)應(yīng)用的一類重要高溫材料。為了滿足新一代發(fā)電廠不斷追求更高的熱效率、更好的經(jīng)濟(jì)性、更大的安全性和設(shè)計(jì)空間，近年來開發(fā)了具有復(fù)雜化學(xué)成分的先進(jìn)合金。709合金屬于此類合金。核電站的安全運(yùn)行需要全面了解材料在復(fù)雜運(yùn)行周期和環(huán)境中長期承受壓力下的性能。一個基本要素是預(yù)測包含缺陷組件的剩余壽命和安全檢查能力，這依賴于對單獨(dú)疲勞載荷、單獨(dú)蠕變載荷和聯(lián)合載荷下裂紋擴(kuò)展阻力的探究。事實(shí)上，許多高溫案例中，為了評估結(jié)構(gòu)完整性，裂紋擴(kuò)展方面研究都是必需的，例如ASME、R5、RCC-MR。作為一種相對較新的合金，迄今為止尚未建立此類數(shù)據(jù)庫和詳細(xì)的力學(xué)解釋。

伯明翰大學(xué)等單位的研究人員研究了709合金高級奧氏體不銹鋼的保壓疲勞裂紋擴(kuò)展行為，并將其與傳統(tǒng)316H不銹鋼的行為進(jìn)行了比較。采用1小時保壓疲勞載荷和0.25Hz快速循環(huán)交替進(jìn)行，以便可以將保壓疲勞加載獲得的裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）與同一試件純疲勞機(jī)制產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展速率（da/dN）進(jìn)行比較。在8kN最大載荷和0.1的應(yīng)力比（R）下，使用0.5T緊湊型拉伸試件在550℃、650℃和750°C的空氣中進(jìn)行測試。對于所研究的溫度和ΔK范圍，都觀察到了單獨(dú)疲勞、單獨(dú)蠕變和混合疲勞-蠕變的裂紋擴(kuò)展機(jī)制，均進(jìn)行了詳細(xì)的斷口和金相觀察，來解釋不同失效模式的失效機(jī)制。與在0.25Hz疲勞載荷下獲得的裂紋擴(kuò)展率相比，保壓疲勞產(chǎn)生；在550°C的測試溫度下，裂紋擴(kuò)展率沒有明顯增加；在650°C的測試溫度下適度增加了2-5倍；在750°C的測試溫度下增加了十倍以上。與316H相比，709合金在650°C的單次測試溫度下，抗蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展能力大大提高。此工作以“Dwell-fatigue crack growth behaviour of Alloy 709”為題發(fā)表在金屬材料旗艦期刊《Acta Materialia》上。

金屬中的蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展通常以適應(yīng)保壓疲勞載荷波形為特征，該波形包含正常疲勞載荷波形內(nèi)的靜態(tài)保持，通常是在最大載荷下的拉伸保壓。目前普遍認(rèn)為，裂紋擴(kuò)展在短保壓時間或高頻率下與循環(huán)有關(guān)，但隨著保壓時間的增加或循環(huán)頻率的降低，通常會變得與時間相關(guān)。當(dāng)超過臨界保持時間時就會發(fā)生這種轉(zhuǎn)變，這種保持時間隨合金成分和微觀結(jié)構(gòu)、溫度和應(yīng)力水平而變化。在一定條件下，疲勞和蠕變機(jī)制同時起作用，導(dǎo)致“疲勞-蠕變相互作用”。

在考慮疲勞和蠕變共同作用下的裂紋擴(kuò)展速率時，識別和區(qū)分由保壓時間引起的晶間失效性質(zhì)十分重要。晶間失效主要有兩種類型，在文獻(xiàn)中稱為“蠕變韌性”和“蠕變脆性”，需要采用不同的裂紋擴(kuò)展參數(shù)來表征裂紋擴(kuò)展。蠕變脆性現(xiàn)象通常發(fā)生在具有非常高的單調(diào)強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的合金中，例如：某些鎳基高溫合金，在蠕變-脆性情況下，在移動裂紋尖端之前存在相對少量的蠕變變形，疲勞裂紋擴(kuò)展速率通常可以通過線彈性斷裂力學(xué)參數(shù)來合理化，例如：應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK。所涉及的失效機(jī)制通常與脆化元素（如氧）的存在有關(guān)。需要注意的是，當(dāng)試驗(yàn)在真空中進(jìn)行并去除含氧環(huán)境時，這種由環(huán)境脆化引起的加速裂紋擴(kuò)展將消失。奧氏體不銹鋼中的蠕變裂紋擴(kuò)展通常被認(rèn)為本質(zhì)上是“蠕變延展性”的，因?yàn)榱鸭y擴(kuò)展伴隨著大量的隨時間變化的塑性變形。

伯明翰大學(xué)此項(xiàng)工作的重點(diǎn)是研究長時間保壓疲勞載荷下的裂紋擴(kuò)展行為。采用1h保壓疲勞和0.25Hz疲勞加載分段序列，測試溫度為550℃（至750℃接近理想的應(yīng)用溫度）。此外，還在650℃下對316H型奧氏體不銹鋼在相同的測試程序下進(jìn)行了測試，以更好地了解709合金奧氏體不銹鋼的耐疲勞潛力。

圖1  709合金在650℃下，在空氣和真空中使用交替的保壓疲勞（在最大負(fù)載下保持1小時）和（0.25Hz）疲勞載荷序列獲得的裂紋擴(kuò)展阻力曲線，R=0.1 。

圖2 斷口的光學(xué)宏觀照片。（保壓疲勞區(qū)域由箭頭指示）

圖3 對斷口709-2（550℃）在第二個1h保壓疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)域內(nèi)ΔK為36MPa√m位置處的金相截面進(jìn)行EBSD，結(jié)果證實(shí)了穿晶二次裂紋：（a）二次電子圖像；（b）EBSD波段對比圖；（c）晶體取向圖；（d）以彩色標(biāo)記的局部錯誤定位圖，范圍從0°（藍(lán)色）到6°（綠色）。

圖4  709合金在1小時保壓疲勞載荷條件下的測試溫度和應(yīng)用ΔK的失效機(jī)制概述，并顯示相關(guān)的裂紋擴(kuò)展速率，并將其與在0.25Hz快速疲勞載荷下測得的值進(jìn)行了比較。所有0.25Hz條件下的失效機(jī)制都是穿晶疲勞裂紋。

此項(xiàng)研究中使用1小時最大載荷保壓疲勞波形（R=0.1），研究了709合金高級奧氏體不銹鋼在550℃、650℃和750℃溫度下的蠕變疲勞裂紋擴(kuò)展行為，還在650℃下比較了傳統(tǒng)316H型奧氏體不銹鋼。在1小時的保壓疲勞載荷下，觀察到不同的裂紋擴(kuò)展行為和失效機(jī)制，這是疲勞和蠕變失效過程的競爭和相互作用的結(jié)果，為給定的試件幾何形狀和加載條件提供了機(jī)制圖。

證實(shí)蠕變裂紋擴(kuò)展速率隨著溫度和機(jī)械驅(qū)動力的增加而增加，在本研究中用ΔK/K max表示。有一個臨界ΔK/K最大值，低于該值蠕變損傷不具有競爭力，并且將獲得完全穿晶機(jī)制。在650℃和750℃下，在1小時的保壓疲勞載荷下裂紋擴(kuò)展可能完全由蠕變機(jī)制引起，從而提供完全沿晶的斷口表面形態(tài)。在這種情況下，疲勞循環(huán)的貢獻(xiàn)很小。在650℃和750℃而不是550℃的最終失效之前觀察到完全延展的微孔聚結(jié)斷裂模式。在550℃時觀察到出色的保壓疲勞裂紋擴(kuò)展阻力。在1小時的保壓疲勞載荷下，除了非常高的機(jī)械驅(qū)動力（ΔK>40MPa√m），從未觀察到裂紋擴(kuò)展速率穩(wěn)定加速，這是由于709合金在該溫度下具有優(yōu)異的抗蠕變性能。在斷裂表面僅觀察到孤立和有限的蠕變損傷，只有在該溫度下才能看到疲勞-蠕變相互作用。在650℃下進(jìn)行測試時，與316H型奧氏體不銹鋼相比，709合金的抗蠕變裂紋擴(kuò)展能力具有顯著改善。