蠕變-疲勞失效是金屬材料失效分析中常見的原因之一。很多金屬材料制成的構(gòu)件由于制造工藝的限制，可能在使用之前就已經(jīng)存在著裂紋或其它缺陷，當(dāng)這些構(gòu)件服役以后，在一定的高溫或載荷條件下，其應(yīng)力集中的部位也很可能會有裂紋萌生，從而產(chǎn)生質(zhì)量安全事故。因此，對金屬材料進行蠕變裂紋擴展試驗、蠕變-疲勞裂紋擴展試驗，可以幫助我們準(zhǔn)確的評價其構(gòu)件的安全性及可靠性，并且在一定程度上，進行產(chǎn)品壽命的評估。

蠕變裂紋擴展試驗一般是在規(guī)定的溫度下，沿預(yù)制裂紋試樣加載線方向施加恒定載荷并保持一定時間，獲得裂紋長度隨時間的變化曲線、位移隨時間的變化曲線。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得出裂紋起裂時間、蠕變裂紋擴展速率da/dt和裂紋**參量K或C*（Ct或C*(t)）的關(guān)系。對于蠕變脆性材料，采用K或Ct關(guān)聯(lián)裂紋擴展速率；對于蠕變延性材料，采用裂紋**參量C*（C*(t)或Ct）關(guān)聯(lián)裂紋擴展速率。C*(t)僅適用于大范圍蠕變情況。Ct適用于小范圍蠕變情況，當(dāng)試樣韌帶進入大范圍蠕變條件，Ct與C*(t)等同。

蠕變-疲勞裂紋擴展試驗 一般是在規(guī)定的溫度下，沿預(yù)制裂紋試樣加載線方向施加具有一定保載時間的循環(huán)載荷，獲得裂紋長度隨時間的變化曲線、裂紋長度隨循環(huán)周次的變化曲線、位移隨時間的變化曲線、位移隨循環(huán)周次的變化曲線。對于蠕變脆性材料，得出裂紋擴展速率da/dN與循環(huán)應(yīng)力強度因子ΔK的關(guān)系，該結(jié)果與加載條件強相關(guān)，應(yīng)標(biāo)明加載、卸載速率及保載時間。對于蠕變延性材料，獲得的裂紋擴展速率可分為疲勞裂紋擴展速率（即為無保載的疲勞裂紋擴展速率）和疲勞影響下的蠕變裂紋擴展速率（即為時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率）兩部分。得出的時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率(da/dt)avg與裂紋**斷裂參量平均值(Ct)avg具有較好的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率(da/dt)avg為測試獲得的單個循環(huán)內(nèi)裂紋擴展量扣除無保載的疲勞裂紋擴展量除以單個循環(huán)保載時間。無保載的疲勞裂紋擴展數(shù)據(jù)可參考GB/T 6398測試獲得，試驗時為避免引入蠕變的影響，應(yīng)盡量快的對試樣進行加載和卸載?？砷_展不同頻率的疲勞裂紋擴展試驗，以確定合適的加載和卸載時間。

影響因素分析

1.加載方式的確定

加載方式對裂紋擴展測試的結(jié)果會有影響，因此對加載方式進行確定。蠕變裂紋擴展測試的加載方式有恒力加載、恒位移和恒位移速率加載三種，推薦采用恒力加載。恒位移和恒位移速率加載僅適用于*脆的材料，按這兩種方式加載時，其測試結(jié)果宜與恒力加載的測試結(jié)果比對，以保證分析結(jié)果的可信度。蠕變-疲勞裂紋擴展測試中存在時間相關(guān)的沿晶蠕變和循環(huán)相關(guān)的穿晶疲勞兩種類型的裂紋擴展機制。二者的交互作用很復(fù)雜，并且與材料、外加載荷頻率、載荷譜類型相關(guān)。在制定測試計劃時，在試驗周期允許的條件下，推薦選取與服役工況類似的加載頻率和波形。

2.試樣的選取

試樣的形狀尺寸和精度對試驗的結(jié)果準(zhǔn)確性至關(guān)重要，因此我們需要嚴(yán)格對試樣的幾何尺寸進行統(tǒng)一要求。試樣的具體尺寸還需進行預(yù)試驗，根據(jù)試驗有效性分析結(jié)果進一步確定。對于高溫延性好的材料，預(yù)試驗尤為重要。試樣形式可以為緊湊拉伸試樣、C型拉伸試樣、單邊缺口拉伸試樣、單邊缺口彎曲試樣、雙邊缺口拉伸試樣或中心缺口拉伸試樣。

3.測試周期

試驗的測試周期對試驗結(jié)果的有效性至關(guān)重要，因此，對于蠕變裂紋擴展試驗，試驗時間應(yīng)大于1000 h。對于研究性的試驗，對試驗時間不做要求。試驗時間在5000——10000 h，可以降低裂尖塑性，使裂紋穩(wěn)態(tài)開裂。對于蠕變-疲勞裂紋擴展試驗，應(yīng)根據(jù)測試材料和測試溫度確定加載速率、*大載荷、保載時間，以保證有明顯的蠕變-疲勞交互的裂紋擴展。蠕變-疲勞交互作用較為復(fù)雜，不同溫度、加載條件下，可能不會發(fā)生明顯的交互作用，表現(xiàn)為蠕變裂紋擴展或疲勞裂紋擴展，故應(yīng)認真選取試驗條件。試驗條件的選取可參考蠕變-疲勞試驗結(jié)果，并考慮多軸應(yīng)力的影響。

4.數(shù)據(jù)記錄

數(shù)據(jù)記錄關(guān)系到試驗結(jié)果的規(guī)范性，對于蠕變裂紋擴展試驗需要通過數(shù)據(jù)化記錄儀實時記錄裂紋尺寸、載荷、位移隨時間的變化曲線。這些數(shù)據(jù)用于建立裂紋擴展速率與C*，Ct或者K的聯(lián)系。對于蠕變-疲勞裂紋擴展試驗可通過數(shù)據(jù)化記錄儀實時記錄裂紋尺寸、載荷、位移、溫度隨時間及循環(huán)周的變化曲線。這些數(shù)據(jù)用于建立裂紋擴展速率與(Ct)avg或者K的聯(lián)系。

5.*小試驗頻次

試驗頻次關(guān)乎到試驗結(jié)果的有效性。對于蠕變裂紋擴展試驗，其數(shù)據(jù)通常存在一定的分散性。這就要求進行多次測試以增加測試結(jié)果的可信度。一般而言，推薦在不同載荷下至少開展5次測試，測試數(shù)據(jù)間應(yīng)有數(shù)據(jù)重疊。除去測試、數(shù)據(jù)處理等因素的影響，如果蠕變裂紋擴展數(shù)據(jù)的分散性增加，應(yīng)增加試驗頻次。對于蠕變-疲勞裂紋擴展試驗，本文意在為試驗的開展提供指導(dǎo)，為材料研發(fā)、機械設(shè)計、過程質(zhì)量控制等領(lǐng)域服務(wù)。因此，至少需要2個試驗進行測試，且獲得的裂紋擴展速率數(shù)據(jù)應(yīng)有重疊。根據(jù)實際情況的不同可適當(dāng)加減*小試驗頻次。此外，重復(fù)測試雖不是強制性的，但宜考慮增加試驗頻次以提高數(shù)據(jù)的可信度。

6.測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)參量

在數(shù)據(jù)的處理上，測試數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)參量對其有重要的影響。蠕變裂紋擴展速率的關(guān)聯(lián)參量有K、C*t)及Ct。關(guān)聯(lián)參量的選取取決于材料的蠕變性能、試樣類型及其尺寸。對于蠕變延性材料，推薦采用Ct或C*(t)（統(tǒng)稱為C*）。對蠕變脆性材料，推薦采用Ct或K。對焊接接頭試樣（試樣上同時存在多種不同性能金屬材料的情況）進行蠕變裂紋擴展速率測試時，應(yīng)對斷裂參量進行修正。蠕變-疲勞裂紋擴展速率的關(guān)聯(lián)參量有ΔK及(Ct)avg。對于蠕變脆性材料，蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dN與應(yīng)力強度因子范圍ΔK相關(guān)聯(lián)。對于蠕變延性材料，時間相關(guān)的平均裂紋擴展速率(da/dt)avg與Ct參數(shù)的平均值((Ct)avg)相關(guān)聯(lián)。相關(guān)研究顯示，對于蠕變斷裂延性在10%及以上的材料而言，(da/dt)avg與(Ct)avg的關(guān)聯(lián)與保載時間無關(guān)。特殊情況下需要測試獲得蠕變-疲勞小裂紋擴展速率。

7.試驗設(shè)備

試驗設(shè)備是保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性的重要內(nèi)容。試驗設(shè)備一般包括試驗機、加載裝置、加熱裝置和溫度測量系統(tǒng)、位移測量裝置、裂紋長度測量系統(tǒng)。

總結(jié)：我們在分析金屬材料的蠕變-疲勞失效時，可以做蠕變裂紋擴展試驗，蠕變-疲勞裂紋擴展試驗 ，同時必須要注意到影響試驗結(jié)果的七大因素，盡量滿足這七大因素的要求。目前，航空發(fā)動機、燃氣輪機、四代核電等高溫裝備都呈現(xiàn)出更高溫度、更長服役時間的發(fā)展趨勢，這就使得蠕變-疲勞失效與預(yù)防控制問題更加凸顯。但我國在耐高溫特種合金領(lǐng)域與發(fā)達國家相比仍有較大的差距。所以在此類金屬材料開發(fā)時，需要評價其高溫下的長時斷裂性能。在設(shè)計及服役時，為得到準(zhǔn)確的壽命評估價結(jié)果，必需要得到公認的蠕變-疲勞裂紋擴展性能數(shù)據(jù)。