抗蠕变奥氏体不锈钢是核电站结构应用的一类重要高温材料。为了满足新一代发电厂不断追求更高的热效率、更好的经济性、更大的安全性和设计空间，近年来开发了具有复杂化学成分的先进合金。709合金属于此类合金。核电站的安全运行需要全面了解材料在复杂运行周期和环境中长期承受压力下的性能。一个基本要素是预测包含缺陷组件的剩余寿命和安全检查能力，这依赖于对单独疲劳载荷、单独蠕变载荷和联合载荷下裂纹扩展阻力的探究。事实上，许多高温案例中，为了评估结构完整性，裂纹扩展方面研究都是必需的，例如ASME、R5、RCC-MR。作为一种相对较新的合金，迄今为止尚未建立此类数据库和详细的力学解释。

伯明翰大学等单位的研究人员研究了709合金高级奥氏体不锈钢的保压疲劳裂纹扩展行为，并将其与传统316H不锈钢的行为进行了比较。采用1小时保压疲劳载荷和0.25Hz快速循环交替进行，以便可以将保压疲劳加载获得的裂纹扩展速率（da/dN）与同一试件纯疲劳机制产生的裂纹扩展速率（da/dN）进行比较。在8kN最大载荷和0.1的应力比（R）下，使用0.5T紧凑型拉伸试件在550℃、650℃和750°C的空气中进行测试。对于所研究的温度和ΔK范围，都观察到了单独疲劳、单独蠕变和混合疲劳-蠕变的裂纹扩展机制，均进行了详细的断口和金相观察，来解释不同失效模式的失效机制。与在0.25Hz疲劳载荷下获得的裂纹扩展率相比，保压疲劳产生；在550°C的测试温度下，裂纹扩展率没有明显增加；在650°C的测试温度下适度增加了2-5倍；在750°C的测试温度下增加了十倍以上。与316H相比，709合金在650°C的单次测试温度下，抗蠕变疲劳裂纹扩展能力大大提高。此工作以“Dwell-fatigue crack growth behaviour of Alloy 709”为题发表在金属材料旗舰期刊《Acta Materialia》上。

金属中的蠕变疲劳裂纹扩展通常以适应保压疲劳载荷波形为特征，该波形包含正常疲劳载荷波形内的静态保持，通常是在最大载荷下的拉伸保压。目前普遍认为，裂纹扩展在短保压时间或高频率下与循环有关，但随着保压时间的增加或循环频率的降低，通常会变得与时间相关。当超过临界保持时间时就会发生这种转变，这种保持时间随合金成分和微观结构、温度和应力水平而变化。在一定条件下，疲劳和蠕变机制同时起作用，导致“疲劳-蠕变相互作用”。

在考虑疲劳和蠕变共同作用下的裂纹扩展速率时，识别和区分由保压时间引起的晶间失效性质十分重要。晶间失效主要有两种类型，在文献中称为“蠕变韧性”和“蠕变脆性”，需要采用不同的裂纹扩展参数来表征裂纹扩展。蠕变脆性现象通常发生在具有非常高的单调强度和蠕变强度的合金中，例如：某些镍基高温合金，在蠕变-脆性情况下，在移动裂纹尖端之前存在相对少量的蠕变变形，疲劳裂纹扩展速率通常可以通过线弹性断裂力学参数来合理化，例如：应力强度因子范围ΔK。所涉及的失效机制通常与脆化元素（如氧）的存在有关。需要注意的是，当试验在真空中进行并去除含氧环境时，这种由环境脆化引起的加速裂纹扩展将消失。奥氏体不锈钢中的蠕变裂纹扩展通常被认为本质上是“蠕变延展性”的，因为裂纹扩展伴随着大量的随时间变化的塑性变形。

伯明翰大学此项工作的重点是研究长时间保压疲劳载荷下的裂纹扩展行为。采用1h保压疲劳和0.25Hz疲劳加载分段序列，测试温度为550℃（至750℃接近理想的应用温度）。此外，还在650℃下对316H型奥氏体不锈钢在相同的测试程序下进行了测试，以更好地了解709合金奥氏体不锈钢的耐疲劳潜力。

图1  709合金在650℃下，在空气和真空中使用交替的保压疲劳（在最大负载下保持1小时）和（0.25Hz）疲劳载荷序列获得的裂纹扩展阻力曲线，R=0.1 。

图2 断口的光学宏观照片。（保压疲劳区域由箭头指示）

图3 对断口709-2（550℃）在第二个1h保压疲劳裂纹扩展区域内ΔK为36MPa√m位置处的金相截面进行EBSD，结果证实了穿晶二次裂纹：（a）二次电子图像；（b）EBSD波段对比图；（c）晶体取向图；（d）以彩色标记的局部错误定位图，范围从0°（蓝色）到6°（绿色）。

图4  709合金在1小时保压疲劳载荷条件下的测试温度和应用ΔK的失效机制概述，并显示相关的裂纹扩展速率，并将其与在0.25Hz快速疲劳载荷下测得的值进行了比较。所有0.25Hz条件下的失效机制都是穿晶疲劳裂纹。

此项研究中使用1小时最大载荷保压疲劳波形（R=0.1），研究了709合金高级奥氏体不锈钢在550℃、650℃和750℃温度下的蠕变疲劳裂纹扩展行为，还在650℃下比较了传统316H型奥氏体不锈钢。在1小时的保压疲劳载荷下，观察到不同的裂纹扩展行为和失效机制，这是疲劳和蠕变失效过程的竞争和相互作用的结果，为给定的试件几何形状和加载条件提供了机制图。

证实蠕变裂纹扩展速率随着温度和机械驱动力的增加而增加，在本研究中用ΔK/K max表示。有一个临界ΔK/K最大值，低于该值蠕变损伤不具有竞争力，并且将获得完全穿晶机制。在650℃和750℃下，在1小时的保压疲劳载荷下裂纹扩展可能完全由蠕变机制引起，从而提供完全沿晶的断口表面形态。在这种情况下，疲劳循环的贡献很小。在650℃和750℃而不是550℃的最终失效之前观察到完全延展的微孔聚结断裂模式。在550℃时观察到出色的保压疲劳裂纹扩展阻力。在1小时的保压疲劳载荷下，除了非常高的机械驱动力（ΔK>40MPa√m），从未观察到裂纹扩展速率稳定加速，这是由于709合金在该温度下具有优异的抗蠕变性能。在断裂表面仅观察到孤立和有限的蠕变损伤，只有在该温度下才能看到疲劳-蠕变相互作用。在650℃下进行测试时，与316H型奥氏体不锈钢相比，709合金的抗蠕变裂纹扩展能力具有显著改善。