背景简介

为了降低二氧化碳排放并提升能量转换效率，发电机组正趋向于更高温度/压力的严苛工况运行。在此背景下，关键承压构件一方面承受长期载荷导致的蠕变损伤，另一方面又在启停、负荷波动与热瞬态等运行循环中不断累积疲劳损伤，同时高温氧化几乎不可避免。这使得仅依赖单一蠕变或疲劳设计数据难以可靠表征真实服役失效过程，尤其在疲劳裂纹扩展阶段，氧化被认为对高温合金疲劳失效具有关键影响，但其与蠕变在裂纹扩展过程中的竞争协同机理仍不明确。

P92作为典型9Cr马氏体钢，被广泛用于超超临界机组锅炉、主蒸汽管道与换热器等部件，依赖其优异的抗蠕变能力与热稳定性来支撑长期服役可靠性。然而，就高温疲劳裂纹扩展而言，现有关于氧化效应的研究多集中在空气环境下开展，能够与真空（低氧）条件进行直接对照的工作仍相对稀缺。同时，既往试验常采用秒级到几分钟量级的较短保载，而蠕变与氧化均具有显著的时间依赖性，因此更接近实际运行的长时保载、并同时覆盖真空与空气环境的裂纹扩展数据仍较为有限。因此，有必要定量分离氧化与蠕变对疲劳裂纹扩展的贡献，并通过断口形貌、裂纹扩展路径与氧化膜形成特征等多尺度证据，明确不同环境与保载条件下的主导损伤机制及其转变规律，从而为P92等马氏体耐热钢在服役工况下的裂纹扩展评估与寿命预测提供更可靠的依据。

成果介绍

（1）本研究在600℃下开展了P92钢CT试样的可控环境裂纹扩展试验，重点比较空气环境与高真空环境中不同峰值保载时间对疲劳裂纹扩展和蠕变裂纹扩展行为的影响。试验采用三类加载条件：无保载疲劳裂纹扩展、峰值拉伸保载条件下的蠕变–疲劳裂纹扩展，以及恒载蠕变裂纹扩展；其中疲劳及蠕变–疲劳裂纹扩展试验的保载时间覆盖0-3600 s，真空环境压力约为10-3 Pa，用于尽可能降低氧参与作用，从而区分氧化与蠕变对裂纹扩展的贡献。

图1给出了P92钢CT试样在真空与空气环境中、不同峰值保载时间下疲劳裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子范围ΔK的关系。结果表明，空气环境总体上会加速裂纹扩展：当裂纹扩展长度达到1 mm时，空气中仅需1585个循环，而真空中需要3051个循环，说明氧环境显著降低了达到相同裂纹扩展量所需的循环数。对于不同保载条件，在较低ΔK区间，空气环境下裂纹扩展速率对短时保载不太敏感，这主要与裂纹面氧化产物诱导的裂纹闭合有关，其会降低有效裂纹扩展驱动力；当ΔK进一步升高后，裂纹张开程度增大，氧化诱导闭合的屏蔽作用减弱，氧化加速开裂逐渐占主导。特别是在th=3600 s、ΔK=38.4 MPa·m0.5时，空气中的裂纹扩展速率约为真空中的4.28倍，表明长时保载为氧化反应和氧向裂纹尖端传输提供了更充分的时间，从而显著放大环境加速效应。

图1. P92钢在600℃下空气与真空环境中不同峰值保载时间下的疲劳裂纹扩展速率：（a）真空环境下da/dN–ΔK关系曲线；（b）空气环境下da/dN–ΔK关系曲线；（c）保载时间60 s时空气与真空环境下da/dN–ΔK关系曲线；（d）保载时间3600 s时空气与真空环境下da/dN–ΔK关系曲线

图2进一步表明，P92钢的恒载蠕变裂纹扩展同样具有明显环境敏感性。空气环境中，裂纹长度随时间持续增长，并在后期出现加速扩展。其蠕变裂纹扩展速率da/dt在多数阶段维持在10-3 mm/h量级，末期升至10-2 mm/h量级。相比之下，真空中裂纹扩展受到显著抑制，速率经历初始过渡阶段后快速降低，并稳定在更低、近似恒定的10-4 mm/h量级。这说明在低氧条件下，时间相关裂纹扩展被明显抑制，而空气环境中的氧化作用会与蠕变损伤共同促进高温裂纹扩展。

图2. P92钢在600℃下空气与真空环境中蠕变裂纹扩展行为：（a）裂纹扩展长度随时间变化曲线；（b）蠕变裂纹扩展速率（da/dt）随时间变化曲线

（2）裂纹扩展路径表征进一步揭示了保载时间延长后P92钢裂纹扩展机制由疲劳主导向蠕变参与的混合开裂转变。图3通过EBSD对真空环境下P92钢在不同峰值保载条件，即60 s、600 s、3600 s以及恒载蠕变条件下的裂纹扩展路径进行了表征，分别展示了裂纹萌生区与裂尖区域的晶界、亚晶界相关裂纹走向。结果表明，在60 s和600 s保载时，裂纹萌生区与裂尖区域均以穿晶开裂为主，说明短时保载条件下裂纹扩展仍主要受循环疲劳驱动。随着保载时间增加至3600 s，裂纹路径中出现更多沿晶开裂和二次裂纹，裂纹扩展由单一穿晶特征逐渐转变为穿晶/沿晶混合开裂。在恒载蠕变裂纹扩展条件下，裂纹边缘及裂尖附近的亚晶界上可见大量蠕变孔洞和微裂纹，表明长时间高温载荷促进了晶界/亚晶界处孔洞形核、长大和连接，进而推动裂纹沿局部弱化边界扩展。

图3. P92钢CT试样在600℃不同保载条件下的EBSD裂纹扩展路径特征：(a) th = 60 s, 裂纹萌生区，(b) th = 60 s, 裂尖区域，(c) th = 600 s, 裂纹萌生区，(d) th = 600 s, 裂尖区域，(e) th = 3600 s, 裂纹萌生区，(f) th = 3600 s, 裂尖区域，(g) 蠕变裂纹扩展萌生区，(h) 蠕变裂纹扩展裂尖区域

（3）综合裂纹扩展速率、裂纹路径和氧化层结构可以看出，P92钢600℃高温裂纹扩展并非由单一疲劳、蠕变或氧化过程控制，而是由环境、载荷水平和保载时间共同决定的竞争–协同机制控制。图4概括了不同环境与保载时间下P92钢蠕变–疲劳–氧化裂纹扩展机制：在真空、短保载条件下，氧影响被最大程度削弱，裂纹扩展主要由循环疲劳损伤控制，裂纹路径以穿晶开裂为主；随着真空下保载时间延长，蠕变孔洞在晶界和亚晶界附近逐渐累积并相互连接，使裂纹扩展转向穿晶/沿晶混合模式，表现为蠕变加速的疲劳开裂。

相对地，在空气环境中，氧化作用始终参与裂纹尖端损伤演化。短保载条件下，裂纹尖端氧化膜在循环张开和闭合过程中反复破裂与再生成，不断暴露新鲜金属表面，从而诱发氧化加速疲劳开裂；长保载条件下，保载过程为氧扩散、氧化膜增厚和局部蠕变损伤累积提供了更充分的时间，最终表现为蠕变与氧化共同加速的疲劳裂纹扩展。

图4. P92钢在600℃下不同环境与保载时间对应的蠕变–疲劳–氧化裂纹扩展机制示意图

致谢

衷心感谢国家重点研发计划和国家自然科学基金提供的资金支持。本文第一作者：王康康（华东理工大学，香港城市大学），通讯作者：温建锋（华东理工大学），涂善东（华东理工大学）。

本期小编 本期小编：王康康（整理）

温建锋 （审核）

董乃健 （发布）