抗蠕變奧氏體不銹鋼是核電站結構應用的一類重要高溫材料。為了滿足新一代發電廠不斷追求更高的熱效率、更好的經濟性、更大的安全性和設計空間，近年來開發了具有復雜化學成分的先進合金。709合金屬于此類合金。核電站的安全運行需要全面了解材料在復雜運行周期和環境中長期承受壓力下的性能。一個基本要素是預測包含缺陷組件的剩余壽命和安全檢查能力，這依賴于對單獨疲勞載荷、單獨蠕變載荷和聯合載荷下裂紋擴展阻力的探究。事實上，許多高溫案例中，為了評估結構完整性，裂紋擴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據庫和詳細的力學解釋。

伯明翰大學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展行為，并將其與傳統316H不銹鋼的行為進行了比較。采用1小時保壓疲勞載荷和0.25Hz快速循環交替進行，以便可以將保壓疲勞加載獲得的裂紋擴展速率（da/dN）與同一試件純疲勞機制產生的裂紋擴展速率（da/dN）進行比較。在8kN最大載荷和0.1的應力比（R）下，使用0.5T緊湊型拉伸試件在550℃、650℃和750°C的空氣中進行測試。對于所研究的溫度和ΔK范圍，都觀察到了單獨疲勞、單獨蠕變和混合疲勞-蠕變的裂紋擴展機制，均進行了詳細的斷口和金相觀察，來解釋不同失效模式的失效機制。與在0.25Hz疲勞載荷下獲得的裂紋擴展率相比，保壓疲勞產生；在550°C的測試溫度下，裂紋擴展率沒有明顯增加；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，抗蠕變疲勞裂紋擴展能力大大提高。此工作以“Dwell-fatigue crack growth behaviour of Alloy 709”為題發表在金屬材料旗艦期刊《Acta Materialia》上。

金屬中的蠕變疲勞裂紋擴展通常以適應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的靜態保持，通常是在最大載荷下的拉伸保壓。目前普遍認為，裂紋擴展在短保壓時間或高頻率下與循環有關，但隨著保壓時間的增加或循環頻率的降低，通常會變得與時間相關。當超過臨界保持時間時就會發生這種轉變，這種保持時間隨合金成分和微觀結構、溫度和應力水平而變化。在一定條件下，疲勞和蠕變機制同時起作用，導致“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展速率時，識別和區分由保壓時間引起的晶間失效性質十分重要。晶間失效主要有兩種類型，在文獻中稱為“蠕變韌性”和“蠕變脆性”，需要采用不同的裂紋擴展參數來表征裂紋擴展。蠕變脆性現象通常發生在具有非常高的單調強度和蠕變強度的合金中，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，疲勞裂紋擴展速率通常可以通過線彈性斷裂力學參數來合理化，例如：應力強度因子范圍ΔK。所涉及的失效機制通常與脆化元素（如氧）的存在有關。需要注意的是，當試驗在真空中進行并去除含氧環境時，這種由環境脆化引起的加速裂紋擴展將消失。奧氏體不銹鋼中的蠕變裂紋擴展通常被認為本質上是“蠕變延展性”的，因為裂紋擴展伴隨著大量的隨時間變化的塑性變形。

伯明翰大學此項工作的重點是研究長時間保壓疲勞載荷下的裂紋擴展行為。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（在最大負載下保持1小時）和（0.25Hz）疲勞載荷序列獲得的裂紋擴展阻力曲線，R=0.1 。

圖2 斷口的光學宏觀照片。（保壓疲勞區域由箭頭指示）

圖3 對斷口709-2（550℃）在第二個1h保壓疲勞裂紋擴展區域內ΔK為36MPa√m位置處的金相截面進行EBSD，結果證實了穿晶二次裂紋：（a）二次電子圖像；（b）EBSD波段對比圖；（c）晶體取向圖；（d）以彩色標記的局部錯誤定位圖，范圍從0°（藍色）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用ΔK的失效機制概述，并顯示相關的裂紋擴展速率，并將其與在0.25Hz快速疲勞載荷下測得的值進行了比較。所有0.25Hz條件下的失效機制都是穿晶疲勞裂紋。

此項研究中使用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展行為，還在650℃下比較了傳統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展行為和失效機制，這是疲勞和蠕變失效過程的競爭和相互作用的結果，為給定的試件幾何形狀和加載條件提供了機制圖。

證實蠕變裂紋擴展速率隨著溫度和機械驅動力的增加而增加，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制。在650℃和750℃下，在1小時的保壓疲勞載荷下裂紋擴展可能完全由蠕變機制引起，從而提供完全沿晶的斷口表面形態。在這種情況下，疲勞循環的貢獻很小。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斷裂模式。在550℃時觀察到出色的保壓疲勞裂紋擴展阻力。在1小時的保壓疲勞載荷下，除了非常高的機械驅動力（ΔK>40MPa√m），從未觀察到裂紋擴展速率穩定加速，這是由于709合金在該溫度下具有優異的抗蠕變性能。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展能力具有顯著改善。