材料环境行为与服役性能 Environmental Behaviours & Performance of Materials

材料环境行为与服役性能 Environmental Behaviours & Performance of Materials 赵钦新博士、教授 Xi’an Jiaotong University

第三章复杂环境下服役行为 1.复杂服役环境 2.蠕变相关环境及行为 3.腐蚀相关环境及行为 4.磨损相关环境及行为

1.复杂服役环境 1.1 复杂环境的定义（1）环境因素第二章已经对材料的工作环境进行了概括性介绍，如下表所示。但是，这些环境因素并不是独立存在的，工程结构的实际工作环境往往是这些环境的共存或叠加，我们称之为复杂服役环境。

1.复杂环境 1.1 复杂环境的定义（2）复杂服役环境的构成复杂服役环境是各种单纯环境的复合和叠加，复杂服役环境使材料的环境行为异常复杂。如材料及结构在腐蚀性介质中的电化学和化学腐蚀，在大气、海洋及土壤介质中的腐蚀；在使用过程中的高温氧化、脆化、蠕变、腐蚀疲劳、腐蚀磨损等都属于非单纯环境下的材料行为。石油、化工、能源、电力行业材料和结构工作环境都是如此。

1.复杂环境 1.1 复杂环境的定义（2）复杂服役环境的构成

1.复杂环境 1.1 复杂环境的定义（3）动力机械与设备的环境行为特征动力机械与设备一般都是在高温、高压、高速和腐蚀介质环境条件下工作，工作环境异常恶劣。环境因素与材料交互作用呈现非线性耦合关系，这种交互作用环境行为具有非线性、开放性的特征，必须使用现代基础科学的新成就加以研究与描述，其环境行为大多以力学/ 化学/ 热学/材料的交互作用为主。

1.复杂环境 1.1 复杂环境的定义（3）动力机械与设备的环境行为特征

第三章复杂环境下服役行为 1.复杂服役环境 2.蠕变相关环境及行为 3.腐蚀相关环境及行为 4.磨损相关环境及行为

2.蠕变相关环境及行为 2.1 蠕变定义（1）蠕变概念材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象被称为蠕变。蠕变发生的环境因素很复杂，主要影响环境为：温度，应力和时间，更高温度下，还会存在氧化浸润或氧化暴露环境的存在（Oxidation Exposure）温度应力水平和性质蠕变环境持续时间氧化介质

2.蠕变相关环境及行为 2.1 蠕变定义（1）蠕变概念材料在高温下力学行为的一个重要特点就是产生蠕变。所谓蠕变就是材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象．由于这种变形而最后导致材料的断裂称为蠕变破坏。蠕变在温度较低时也会发生，但速度很慢不会导致破坏。当温度高于0.4～0.5Tm （熔点)时蠕变现象就很明显。锅炉、汽轮机、航空用钢材，碳钢在300～350℃，合金钢在400～450℃及以上时，就会出现蠕变现象。蠕变过程可以用蠕变曲线来描述．

2.蠕变相关环境及行为 2.1 蠕变定义（2）蠕变曲线对于金属材和陶瓷材料，典型的蠕变曲线如下图。OA段是施加载荷后，试样产生的瞬时应变ε0，不属于蠕变。蠕变曲线上任一点斜率，表示该点蠕变速率(dε/dt) 第Ⅰ阶段：AB段，减速蠕变阶段(过渡蠕变阶段)。第Ⅱ阶段：BC段，恒速蠕变阶段(稳态蠕变阶段)。第Ⅲ阶段：CD段，加速蠕变阶段(为失稳蠕变阶段)。其中：ε0为瞬态蠕变； f(t)为减速蠕变； Dt为恒速蠕变； φ(t)为加速蠕变。

2.蠕变相关环境及行为 2.1 蠕变定义（2）蠕变曲线蠕变曲线随应力的大小和温度的高低而变化。在恒温下改变应力，或在恒定应力下改变温度，蠕变曲线都将发生变化。当减小应力或降低温度时，蠕变第Ⅱ阶段延长，甚至不出现第Ⅲ阶段；相反，当增加应力或提高温度时，蠕变第Ⅱ阶段缩短，甚至消失，试样经过减速蠕变后很快进入第Ⅲ阶段而断裂。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（1）蠕变极限描述材料的蠕变性能常采用蠕变极限、持久强度、松弛稳定性等力学性能指标．蠕变极限蠕变极限表示材料对高温蠕变变形的抗力。蠕变极限的表示方法有两种：第一种，在给定温度下，使试样在蠕变第Ⅱ阶段产生规定稳态蠕变速率的最大应力，定义为蠕变极限，记作 MPa)，其中T是表示温度(℃)，，是表示第二阶段的稳态蠕变速率(％/h)。第二种，在给定温度和时间的条件下，使试样产生规定的蠕变应变的最大应力，定义为蠕变极限。记作 MPa)，其中T是表示温度(℃)，ε/t，是表示给定时间t内产生的蠕变ε（%）。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（1）蠕变极限对于按稳态蠕变速率定义的蠕变极限，其测定程序为：在同一温度、不同应力下进行蠕变试验，测出不少于4条的蠕变曲线；求出蠕变曲线第Ⅱ阶段斜率，同一温度下，蠕变速率έ与外加应力σ存在关系：式中：A和n是与材料及试验条件有关的常数，对单相合金 n ＝3～6。该式在对数坐标上是一条斜率为n的直线。 12Cr1MoV钢的σ-ε曲线

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（2）持久强度有些部件，蠕变变形很小，只要求在使用期内不发生断裂。此时，要用持久强度作为评价材料的主要依据。持久强度是材料在一定的温度下和规定的时间内，不发生蠕变断裂的最大应力，记作 (MPa)。实验结果表明，金属材料在给定温度下，应力和断裂时间可用下列经验公式表示：式中：A’和m是常数，该式在双对数坐标上代表一条斜率为m的直线。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（2）持久强度长期持久强度试验是比较困难的，且需要消耗大量的人力和财力，所以工程上常采用短时间的持久强度试验数据，外推出长时间的持久强度。实验时，用一组试样，测得在不同应力下的断裂时间，然后按式应力-断裂时间公式对试验数据进行拟合，求出常数A’和m之值，或在lgσ—lgtf双对数坐标上画出直线，最后推算出或按直线外推求出材料长时间的持久强度．右图为试制10Cr9Mo1VNb钢管600，625，650℃时的蠕变断裂试验曲线，应力和断裂时间在对数座标下呈直线关系，随着应力或温度的增加，断裂时间不断降低。其外推的105小时持久强度如下表。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（2）持久强度 10Cr9Mo1VNb钢管的持久断裂数据经K-D参数法回归后得方程

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（3）持久塑性持久塑性是指材料在蠕变断裂时的塑性性能，以试样断裂后断后伸长率(A)和断面收缩率(Z)表示。它是材料在高温条件下的重要指标致之一。持久塑性过低，材料呈现蠕变脆性，将会发生早期蠕变失效。 Glen在1955年试验获得的0.5Mo钢(a)和Cr1-0.5Mo钢(b)在各试验温度下持久塑性随断裂时间的变化曲线。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（3）持久塑性试制的10Cr9Mo1VNb钢管焊接接头存在和母材相同的蠕变脆性，1000小时的Z都趋于25%左右。日产JT91钢管焊接接头的蠕变塑性平均值虽然比试制T91钢管高出许多，但和日产JT91钢管母材相比还是下降了很多，这可能和焊接规范及焊接条件有关。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（4）应力松弛材料在恒变形的条件下，随着时间的延长，弹性应力逐渐降低的现象称为应力松弛．材料抵抗应力松弛的能力称为松弛稳定性。如蒸汽、燃气轮机的紧固件—螺栓。当剩余应力小于汽缸螺栓预紧工作应力时，就会泄漏。松弛稳定性可以通过松弛试验测定的应力松弛曲线来评定，材料的松弛曲线是在规定的温度下，对试样施加载荷，保持初始变形量恒定，测定试样上的应力随时间而下降的曲线。松弛稳定性决定于材料的成分、组织等内部因素。图中σ0为初始应力，试验中，任一时间试样上所保持的应力称为剩余应力σsh；试样上所减少的应力，即初始应力与剩余应力之差称为松弛应力σso。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素根据蠕变变形和断裂机理可知，蠕变是在一定的应力条件下，材料的热激活微观过程的宏观表现，它不仅决定于材料的成分、组织结构等内在因素，而且也受应力、温度、环境介质等外来因素的影响． 1）内在因素 ◇化学成分。成分不同，蠕变的热激活能不同，热激活能高的材料变形就困难，蠕变极限、持久强度、剩余应力就高。应选用熔点高、自扩散激活能大和层错能低的元素及合金。大多数面心立方结构金属，其高温强度比体心立方结构的高，这是重要原因。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素在金属基体中加入合金元素，如果是铬、钼、钨、铌等形成单相固溶体，除产生固溶强化作用外，还因为合金元素使层错能降低，易形成扩展位错，增大了扩散激活能，从而提高了蠕变极限。如果是形成弥散相的合金元素，则由于弥散相能强烈阻碍位错的滑移，提高高温强度，弥散相粒子硬度高、弥散度大、稳定性高，则强化作用好。硼、稀土等增加晶界激活能，既能阻碍晶界滑动，又能增大晶界裂纹面表面能。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素 1）内在因素 ◇ 化学成分（续）因为钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强度降低。各种耐热钢及其合金的冶炼工艺要求较高，而对杂质元素和气体含量要求则更加严格，常存杂质除硫、磷外，还有铅、锡、铜、锑、砷等，即使有微弱含量，当杂质在晶界偏聚后，会导致晶界严重弱化，而使热强性急剧降低，持久塑性变差。如，某些镍基合金，经过真空冶炼后，由于铅的含量由5ppm降至2ppm以下，其持久时间增长了一倍。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素 1）内在因素 ◇组织结构。对于金属材料，采用不同的热处理工艺，可以改变组织结构，从而改变热激活运动的难易程度。如珠光体耐热钢，一般采用正火+高温回火工艺，正火温度应较高，以促使碳化物较充分而均匀地溶解在奥氏体中；回火温度应高于使用温度100～150℃以上，以提高其在使用温度下的组织稳定性。如奥氏体耐热钢或合金钢一般进行固溶处理和时效，使之得到适当的晶粒度，并改善强化相的分布状态；有的合金在固溶处理后再进行一次中间处理，使碳化物沿晶界呈断续链状析出，可使持久强度和蠕变延伸率进一步提高。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素 1）内在因素 ◇晶粒尺寸。晶粒尺寸是影响材料力学性能的主要因素之一。细化晶粒是唯一可以同时提高材料常规强度、硬度和塑性、韧性的方法，但对于高温力学性能，影响并非如此。对于金属材料，当使用温度低于等强温度时，细化晶粒可以提高钢的强度；当使用温度高于等强温度时，粗化晶粒可以提高钢的蠕变极限和持久强度，但是，晶粒太大会降低钢的高温塑性和韧性．对于耐热钢和合金，随合金成分和工作条件的不同，都有一最佳晶粒尺寸范围．例如，奥氏体耐热钢及镍合金，一般以2～4级晶粒度较好，所以，进行热处理时应考虑采用适当的加热温度，以满足晶粒度的要求。在耐热钢及合金中晶粒度不均匀会显著降低其高温性能。这是由于在大小晶粒交界处出现应力集中，裂纹就易于在此产生而引起过早的断裂。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素 2）外部因素 ◇应力材料的蠕变性能和蠕变速率主要取决于应力水平，高应力下蠕变速率高，低应力下蠕变速率低。应力对蠕变的影响主要是改变蠕变机制。由于高温合金在使用中通常在垂直于应力方向的横向晶界上易产生裂纹，因此，采用定向凝固工艺使柱状晶沿受力方向生长，减少横向晶界，可以大大提高持久寿命。例如，有一种镍基合金采用定向凝固工艺后，在760℃、645MPa应力作用下的断裂寿命可提高4～5倍。

2.蠕变相关环境及行为 2.2 蠕变性能指标（5）影响蠕变性能的主要因素 2）外部因素 ◇ 温度。蠕变是热激活过程，蠕变激活能和扩散激活能的相对关系，影响着蠕变机制。蠕变激活能和扩散激活能都是温度的减值函数，随着温度的改变，它们也发生相应的变化，使得蠕变机理发生改变。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（6）蠕变变形机理材料的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动。 1）位错滑移蠕变机理材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只能产生一定的塑性变形。在常温下，如果要继续产生塑性变形，则必须提高载荷，增大位错滑移的切应力，才能使位错重新增殖和运动。但是，在高温下，由于温度的升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动，继续产生塑性变形。位错的热激活方式有：刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解、割阶位错的非保守运动、亚晶界的位错攀移等．

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（6）蠕变变形机理如图：由于原子或空位的热激活运动，使得刃型位错得以攀移，攀移后的位错或者在新的滑移面上得以滑移，或者与异号位错反应得以消失，或者形成亚晶界，或者被大角晶界所吸收．这样被塞集的位错数量减少，对位错源的反作用力减小，位错源就可以重新开动，位错得以增殖和运动，产生蠕变变形。图刃型位错克服障碍的几种模型 (a)逾越障碍在新的滑移面上运动； (b)与临近滑移面上异号位错反应； (c)形成小角晶界； (d)消失于大角晶界

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（6）蠕变变形机理在蠕变第Ⅰ阶段，由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源开动的阻力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕变阶段；在蠕变的第Ⅱ阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材料不断软化，当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率就成为一常数，因此形成了恒速蠕变阶段； Ⅲ Ⅱ Ⅰ

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（6）蠕变变形机理 2)扩散蠕变机理在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，不受外力时，扩散是随机的，宏观上没有表现，但在外力作用下，晶体内部产生不均匀应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位进行定向扩散。如上图，在拉应力作用下，晶体ABCD晶界上的空位势能发生变化，垂直于拉应力轴的晶界A、B处于高势能态，平行于拉应力轴的C、D晶界处于低势能态。导致空位由势能高的A、B晶界向C、D晶界扩散。空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从而引起晶粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，使晶体产生蠕变。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（6）蠕变变形机理 2) 扩散蠕变机理根据扩散路径不同，扩散蠕变机理有两种：即Nabarro-Herring提出的体扩散机理和Coble提出的晶界扩散机理。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（6）蠕变变形机理 3)晶界滑动蠕变机理晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下，可以忽略不计，但在高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。对于金属材料和陶瓷材料，晶界的滑动一般是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定向扩散引起的。在外力作用下，晶粒发生弹性位移产生蠕变，但这一贡献不大，主要的还是空位的定向扩散。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理蠕变断裂有两种情况：一种情况是对那些不含裂纹的高温部件，在高温长期服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在部件内部萌生和扩展，显微结构变化引起的蠕变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂；另一种情况是高温工程结构中，原来就存在裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于主裂纹的扩展引起的，这方面的研究开始于19世纪60年代后期，属于高温断裂力学的范畴。所以，以下主要研究的是蠕变变裂纹的萌生、扩展和断裂。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理晶间断裂是蠕变断裂的普通形式，高温低应力下情况更是如此，这是因为温度升高，多晶体晶内及晶界强度都随之降低，但后者降低速率更快，造成高温下晶界的相对强度较低的缘故。通常将晶界和品内强度相等的温度称为等强温度。金属材料的等强温度不是固定不变的，变形速率对它有较大影响。由于晶界强度对形变速率的敏感性要比晶粒大得多，因此等强温度随变形速度的增加而升高。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理晶界断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型；另一种是空位聚集模型。第一种模型认为：在蠕变温度下，持续的恒载将导致位于最大切应力方向的晶界滑动，这种滑动必然在三晶粒交界处形成应力集中，如果这种应力集中不能被滑动晶界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛，那么当应力集中达到晶界的结合强度时，在三晶粒交界处必然发生开裂，形成楔形空洞。楔形裂纹或空洞生核示意图

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理晶界滑动和晶内滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折，曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶界的滑动，引起应力集中，导致空洞形成。如图所示。晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意团

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理第二种模型认为在垂直于拉应力的那些晶界上，当应力水平超过临界值时，通过空位聚集的方式萌生空洞，如图所示。空洞核心一旦形成，在应力作用下，空位由晶内和沿晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并互相连接形成裂纹裂纹形成后，随时间的延长，裂纹不断扩展，达到临界值后，材料发生蠕变断裂。蠕变断裂究竟以何种方式发生，取决于具体材料、应力水平、温度、加载速率和环境介质等因素。空位聚集形成空洞示意图韧性穿晶/晶间断裂模型

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理高应力高应变速率下，温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或晶间断裂，属脆性断裂，其断裂应变小。即使在较高温度下，多晶体在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也小，会超过10％。温度高于韧脆转变温度时，断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂，通过在第二相界面上空洞生成、长大和连接的方式发生的，断口典型特征是韧窝，应力高时，这种由空洞长大的断裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂。应力较低、温度相对较高时，空洞由于缓慢蠕变而长大，最终导致断裂。该断裂伴随有较大断裂应变。在较低应力和较高温度下，通过在晶界空位聚集形成空洞和空洞长大方式发生晶界蠕变断裂，是由扩散控制的，低温下空位扩散导致的这种断裂缓慢，观察不到断裂的发生。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理高温高应力下，在强烈变形部位将迅速发生回复再结晶，晶界能够通过扩散发生迁移。即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继续长大，因为空洞的长大主要是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式完成的，而晶界的迁移能够终止空位沿晶界的扩散，结果蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行，即试样被拉断。金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂结构表面出现龟裂现象；另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖．微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂，

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：一是在断口附近产生塑性变形，在变形区域附近有很多裂纹，使断裂结构表面出现龟裂现象。另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖．微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。左侧持久强度试样，断裂时间短，试验应力高，属于高应力下的韧性缩颈断裂；而右侧试样试验时间长，试验应力低，属于低应力作用下主要由蠕变空洞形核生长引发的微裂纹扩展导致的晶间断裂（材料 10Cr9Mo1VNbN）。断裂时间 734小时断裂时间 4348小时

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理图左断口：断裂面上晶粒内部含有大而深的韧窝，而晶界上也有一些小的空洞，试样以韧性断裂方式为主。图右断口：在晶内和晶界上都发现有空洞生成，独立空洞形核长大、连结形成空洞串，进而发展成微裂纹，微裂纹大都沿晶界扩展，试样以沿晶断裂为主。

2.蠕变相关环境及行为 2.3 蠕变变形和断裂机理（7）蠕变断裂机理蠕变时间短，韧窝大而深，高应力变形特征；蠕变时间长，韧窝小而浅，低应力变形特征。蠕变时间愈长，晶内韧窝就越少，而空洞密度显著增加；图右10Cr9Mo1VNb钢管试样经9581小时后持久拉伸，伸长率仅有2%的试样断口的SEM观察照片。 (c) TD10/196 h (d）TH8/9581h

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（1）高温疲劳概念通常把高于再结晶温度所发生的疲劳叫做高温疲劳，高温疲劳除与室温疲劳具有类似的规律外，还有一些自身的特点。随着温度升高，材料高温疲劳强度降低。据统计，当温度上升到300℃以上时，每升高100℃，钢的疲劳抗力下降约15％～20％；而对耐热合金，则每升高l00℃，疲劳抗力下降约5％～10％。

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（1）高温疲劳概念温度升高，疲劳强度下降，但和持久强度相比下降较慢，所以它们存在一交点(见图)。交点左边，材料发生疲劳破坏，此时以疲劳强度作为设计指标；交点以右，以持久强度为主要设计指标，交点温度随材料不同而不同。高温疲劳的最大特点是与时间相关，所以描述高温疲劳参数除与室温相同外，还需增添与时间有关的参数。与时间有关的参数包括加载频率、波形和应变速率。

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（2）高温疲劳的一般规律实验表明，降低加载过程中的应变速率或加载频率，增加循环中拉应力的保持时间都会缩短疲劳寿命，而断口形貌也会相应地从穿晶断裂过渡到穿晶加沿晶，及至发生完全的沿晶断裂。造成上述现象的原因：一是沿晶蠕变损伤增加；二是环境浸蚀的时间增加，如拉应力使裂纹张开后的氧化浸蚀加速。高温下原子沿晶界扩散快，所以环境浸蚀主要沿晶界发展，因此无论是蠕变或是环境浸蚀，造成的损伤主要都在晶界，从而出现上述从穿晶到沿晶的断裂过程，两种损伤在整个损伤中所占的比例大小因试验条件和材料的不同而不同。

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（3）高温疲劳裂纹扩展速率在线弹性条件下，描述高温裂纹扩展速率da/dN的方法与室温相同。通常，温度升高，裂纹扩展速率增加，∆Kth降低(也有例外)，由于高温条件下不可避免地存在蠕变损伤，所以高温疲劳裂纹扩展可以看作是疲劳和蠕变分别造成裂纹扩展量的叠加，两部分相对量的大小与诸多因素有关，其中与载荷的关系为：在低载荷时，蠕变裂纹扩展速率较低，以疲劳对裂纹扩展的贡献为主；而在较高载荷时，情况相反，以蠕变对裂纹扩展的贡献为主。

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（4）蠕变-疲劳交互作用有两种蠕变疲劳交互作用：依次损伤和同时损伤。前一种是指材料经历一个完全的疲劳(或蠕变)损伤后接着经历蠕变(或疲劳)损伤；而第二种交互作用是在每一个疲劳循环中同时有蠕变损伤和疲劳损伤。典型第二种交互作用是具有保持时间的应变疲劳。 Cr-Mo-V钢经受高应变疲劳后再进行蠕变试验时，高应力下蠕变断裂寿命降低，低应力蠕变寿命则不受预先疲劳的影响。这是因为高应变幅疲劳和高应力蠕变损伤均发生在晶内，因此预先疲劳损伤对后来的蠕变寿命有影响；而低应力蠕变损伤发生在晶界，因此预先高应变幅疲劳产生的晶内损伤对低应力如变寿命几乎没有影响。目前的数据表明，预先蠕变对后来的疲劳寿命影响不大。

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（4）蠕变-疲劳交互作用蠕变疲劳交互作用的另一种形式是循环的每一个周期都有蠕变保持时间。蠕变保持对疲劳寿命的影响下图所示，图中t/0表示拉应变保持(t代表保持时间为t,0代表保持时间为0)，0/0和0/t代表无保持对称循环和压应变保持。疲劳的拉应变最大时保持一定时间(t/0)会显著降低不锈钢和低合金钢的疲劳寿命，且保持时间越长，疲劳寿命降低程度越大。

2.蠕变相关环境及行为 2.4 高温疲劳（4）蠕变-疲劳交互作用随保持时间的增加，蠕变变形量增加，断裂方式也发生变化，沿晶断裂面积增加，穿晶面积减小，直至完全观察不到疲劳条纹。对断裂之前中断试验样品观察，表明两种情况的断裂机制不同。在Cr-Mo钢中观察到晶界空洞在形核、长大和连接。表明应变疲劳试验中蠕变损伤是主要的。但在不锈钢中主要是疲劳裂纹沿晶发展，并且沿晶裂纹遇到晶界蠕变空洞时会加速扩展，表明两种断裂过程确实发生了交互作用。 1Cr-Mo-V 316不锈钢

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