新型耐热钢接头早期蠕变损伤机制及预测方法是发展新一代电站设备亟需解决的问题，项目研究了焊接接头局部微观组织、残余应力场和工作载荷叠加作用下的蠕变损伤和蠕变裂纹行为。提出了适用于连续冷却过程计算的改进的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（J-M-A-K）方程，结合基于模式搜索法的全局优化方法，确定改进的J-M-A-K方程的动态参数。研究发现，耐热钢焊接接头在热影响区最大焊接残余应力的位置可以通过焊材的选择来控制，高强匹配的填充金属将拉伸残余应力峰值外推至母材区域，避开强度较低的热影响区。提出了改进的预压缩-紧凑拉伸蠕变试样，通过压缩-释放，在半圆形缺口附近预制了残余应力场，能够在实验室环境下有效地研究三轴残余应力场对蠕变裂纹萌生和扩展性能的影响，阐明了焊接残余拉应力是引起早期蠕变失效的关键因素。设计了一种通过局部重熔引入焊接残余应力与焊缝显微结构的蠕变试样，分析残余应力作用下，不同微观组织的蠕变裂纹开裂行为和蠕变断裂模式。引入基于微观蠕变孔洞长大的多轴延性耗竭蠕变损伤分析，实现管道环焊缝接头在实际工作载荷和温度环境下的蠕变寿命预测。 2100433B

新型耐热钢接头早期蠕变损伤机制及预测方法是发展新一代电站设备亟需解决的问题。采用热-力模拟试验机制备焊接接头不同区域组织的蠕变试样，通过园棒蠕变试验和预应变蠕变断裂试验，确定相关蠕变模型和蠕变开裂应变。对蠕变试样微观组织进行表征，揭示蠕变损伤与微观组织，特别是晶界特征的关系。结合微观组织映射和有限元模拟，探讨焊接残余应力、晶粒尺寸、晶界特征、析出相大小、形态等对焊接接头蠕变损伤的影响，评定对蠕变参数的影响。在此基础上，结合焊接模拟件蠕变试验和开裂应变测量，对焊接接头蠕变损伤模型参数进行改进。 提出了考虑接头残余应力的蠕变开裂环状试样的试验方法。.项目以实验为基础，对焊接接头早期蠕变损伤的机理形成全面认识，结合试验评定和数值计算为新型耐热钢焊接接头与结构设计和新一代耐热钢开发提供理论和技术支撑。研究成果具有重要理论意义和应用价值。

在19世纪人们开始关注蠕变现象。1883年法国Vicaf对钢索进行实验，并作定量分析。1910年英国Andrade结合理论研究，提出蠕变的概念。金属蠕变理论的建立已有70年的历史。随着现代工业的发展，蠕变的研究思路主要分成两类研究方向：一类从微观层次着手，重点探求蠕变机制以及影响金属蠕变抗力的因素，属于金属物理学方面的研究工作；另一类是以宏观实验为基础，从蠕变现象的观察到实验数据的分析研究，建立蠕变规律的理论，研究构件在蠕变状态的应力应变计算和寿命的评估方法，属于连续介质力学的范畴。在连续介质力学中的平衡方程、几何方程以及本构关系也适用于蠕变力学。

蠕变断裂微观机理研究

实际结构常处在复杂的服役环境中，在机械应力和热应力的相互作用下，构件多处在多轴蠕变的状态。对多轴蠕变的失效机理的研究更具有实际意义，其中基于孔洞长大理论建立了大量的模型，如图2所示。考虑孔洞长大的不同机理产生了Rice-Tracy模型、Cocks-Ashby模型、Huddleston模型、Hales模型、Spindler模型。在铸造和机械加工过程中，材料总是会产生一些缺陷，如点缺陷空位、线缺陷位错、面缺陷晶界和体缺陷孔洞。材料在高温环境下的破坏一般是夹杂或者第二相粒子处出现孔洞，并长大、聚合的结果。孔洞的长大在蠕变过程中又占据主导地位。

孔洞萌生的机制可以分成三类：未变形第二相粒子穿晶滑移机制、晶粒沿者晶界滑移机制和晶界空位聚集机制。孔洞的成形率与作用在晶界上的正应力相关。由于应变不能穿过晶界，导致了在个别位置的应力水平比外载荷作用下整体的应力大很多。这就意味着，在低应力的水平下，晶界处也能形成孔洞。高温环境下孔洞萌生原因为空位扩散聚集。孔洞长大的物理机制可分成三种：

(1)扩散主导孔洞长大机制。该机制下孔洞的长大速率与扩散相关。在低应力或孔洞直径较小情况下，扩散机制为主要因素。

(2)塑形主导孔洞长大机制。随着孔洞尺寸的增大，扩散作用减弱，塑形控制作用成为主要的因素。高应力状态时，孔洞邻近材料进入塑性变形导致孔洞增大。因此，塑形主导孔洞机制比扩散主导机制更具有工程价值。

(3)约束主导孔洞长大机制。孔洞增大导致个别位置应变率大于邻近材料的应变率，应力将状态发生变化，直到孔洞增大产生的应变率等于外载荷导致的较远处的应变率。孔洞聚合物理机制分为孔洞相互接触机制和孔洞片机制。孔洞接触机制是指孔洞间的韧带颈缩到一点。孔洞片机理是指孔洞间的韧带上产生大量次级孔洞，从而实现了主孔洞的连接。孔洞聚合过程将导致材料的最终失效，影响材料微裂纹的萌生与扩展。

对材料损伤破坏的研究反映出综合分析宏观和细观力学性能的必要性。对于蠕变损伤进一步研究过程中，通常使用损伤参量来预测材料的剩余寿命。

蠕变断裂连续介质研究

在二维理论研究方面，1980年Riedel和Rice指出，对于幂硬化蠕变材料，裂纹端部的应力、应变奇异性及其分布规律符合HRR型。提出了蠕变断裂的RR解，通过使用单参数C(t)积分来描述二维理想平面应力和平面应变的裂尖场。与弹塑形经典的HRR解不同之处在于，C(t)积分替换了弹塑性下的J积分，而应变和位移替换成与时间相关的应变率和位移率。

在理想的平面应力和平面应变状态下，蠕变RR解的主导区是局限的。考虑面内约束的理论仅是限定在二维框架下。而实际工程构件的结构多样以及受力复杂，将受力状态简单的归为平面应力或平面应变是不准确的。

蠕变裂纹扩展过程有两种对抗机制。一种是材料裂纹端部的发生钝化表示蠕变变形，裂纹端部因钝化变形影响降低了应力水平，从而降低了蠕变裂纹扩展速度；另一种是导致孔洞和微观裂纹形成的蠕变损伤积累，损伤积累又会促使裂纹的扩展。裂纹是否扩展由两种机制共同作用决定，当两者作用相当时呈现出稳态裂纹扩展 。

金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大小的顺序，可以讲蠕变断裂分为如下类型：

蠕变沿晶蠕变断裂

沿晶蠕变断裂是常用高温金属材料（如耐热钢、高温合金等）蠕变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低应力较长时间作用下，随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界形成和发展。

蠕变穿晶蠕变断裂

穿晶蠕变断裂主要发生在高应力条件下。其断裂机制与室温条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。

蠕变延缩性断裂

延缩性断裂主要发生在高温（T > 0.6 Tm ）条件下。这种断裂过程总伴随着动态再结晶，在晶粒内不断产生细小的新晶粒。由于晶界面积不断增大，空位将均匀分布，从而阻碍空洞的形成和长大。因此，动态再结晶抑制沿晶断裂。晶粒大小与应变量成反比。

目前，蠕变理论、蠕变断裂的微观机制以及蠕变和工程构件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟，有待今后继续深入 。

温度较高时原子的活动能力提高，使得产生塑性变形的位错滑移更为容易，所以，在较高温下低于屈服极限的应力就足以造成材料塑性变形。随着材料的塑性变形，加工硬化亦随之产生，材料开始强化，变形抗力加大，所以：

第一阶段：变形速率随时间而下降。

第二阶段：是稳态阶段。此时，变形产生的加工硬化和回复、再结晶同时进行，材料未进一步硬化，所以变形速率基本保持恒定。

第三阶段：愈来愈大的塑性变形便在晶界形成微孔和裂纹，试件也开始产生缩颈，试件实际受力面积减小而真实应力加大，因此在塑性变形速率加快，最后导致试件断裂。