金属材料在外力作用下，缓慢而连续不断地发生塑性变形，这样的一种现象称为蠕变现象，所发生的变形称为蠕变变形，由此而导致的断裂，则称为蠕变断裂。

1.蠕变断裂的类型

（1）对数蠕变断裂 在（0～0.15）T_m（T_m为金属材料的熔点）的温度范围内，材料的变形引起的加工硬化，因温度低，不能发生回复再结晶，因此，蠕变率随时间的延续一直在下降，此时发生的断裂称为对数蠕变断裂。

（2）回复蠕变断裂 在（0.15～0.85）T_m的温度范围内，由于温度高，材料足以进行回复再结晶，蠕变率基本上是个定值，此时发生的断裂称为回复蠕变断裂。

在工程上最常出现的蠕变断裂是回复蠕变断裂或称高温蠕变断裂。其典型的蠕变曲线如图4-33所示，它是描述在恒定温度、恒定拉应力下金属的变形随时间的变化规律的曲线。典型的蠕变曲线可以分为三个部分：

蠕变第一阶段（初期蠕变，Ⅰ）——这一阶段属于非稳定的蠕变阶段，其特点是开始蠕变速度较大，随着时间延长，蠕变速度逐渐减小，直到达到最小值A点进入第二阶段。

图4-33 典型的蠕变曲线

蠕变第二阶段（第二期蠕变，Ⅱ）——这一阶段的蠕变是稳定阶段的蠕变，其特点是蠕变以固定的但是对于该应力和温度下是最小的蠕变速度进行，蠕变曲线上为一固定斜率的近乎直线段。这一阶段又称为蠕变的等速阶段或恒速阶段。这一段越长，则金属在该温度、应力下蠕变变形持续的时间就越长。直到B点进入第三阶段。

蠕变第三阶段（第三期蠕变，Ⅲ）——当蠕变进行到B点，随着时间的推移，蠕变以迅速增大的速度进行，这是一种失稳状态，直到C点发生断裂。这一阶段也称为蠕变的加速阶段。

蠕变曲线的形状会随金属的温度和应力不同而有所变化，如图4-34所示。在实际断裂分析时应根据不同条件进行判断。

图4-34 不同条件下的蠕变曲线

a）温度固定，应力σ₁＜σ₂＜σ₃＜σ₄ b）应力固定，温度t₁＜t₂＜t₃＜t₄

金属蠕变阶段的变化除与温度、应力密切相关外，与材料组织的稳定性也有很大关系。在一定温度下相对稳定的组织，第二段蠕变时间相对长；而稳定性相对较差的组织，在相同的条件下其稳定蠕变阶段变短。

对于长时间在高温高应力下运行的金属零件，应定期测试其蠕变变形量。作为事中分析，提出失效预防措施，也是失效分析的一项重要工作。

2.蠕变断裂的特征(www.daowen.com)

（1）宏观特征 明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征。在断口附近产生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。蠕变断裂的另一个特征是高温氧化现象，在断口表面形成一层氧化膜。

（2）微观特征 大多数的金属零件发生的蠕变断裂是沿晶型断裂，但当温度比较低时（在等强温度以下），也可能出现与常温断裂相似的穿晶断裂。和其他沿晶断裂不同之处在于，沿晶蠕变断裂的截面上可以清楚地看到局部地区晶间的脱开及空洞现象。除此之外，断口上还存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。

3.蠕变断裂失效分析

在失效分析时，根据零件的实际工况条件及断裂件的宏观与微观特征，不难确定零件的断裂是否属于蠕变断裂。

实际的金属零件发生蠕变断裂时，宏观上也可能没有明显的塑性变形，其变形是微观局部的，主要集中在金属晶粒的晶界，在晶界上形成蠕变空洞，从而降低了材料塑性，导致发生宏观脆性的断裂，如图4-35所示。这在发电厂等热力系统是经常发生的一种失效形式。

实际运行的金属零件，由于金属组织在高温高应力作用下会发生一系列的组织和性能的变化，因此，蠕变断裂的过程经常伴随着其他方面的变化。这些变化主要有珠光体球化和碳化物聚集，碳钢石墨化，时效和新相的形成，热脆性，合金元素在固溶体和碳化物相之间的重新分配，以及氧化腐蚀等。

图4-35 蠕变导致的宏观脆性的蒸汽管爆管

a）蒸气管爆管断口形态（宏观上无明显塑性变形，管壁没有减薄，表面严重氧化，氧化层致密） b）金属组织（珠光体已经完全球化，碳化物在晶内和晶界上聚集，晶界上已形成蠕变裂纹）

（1）珠光体球化和碳化物聚集 珠光体耐热钢在一定温度和工作应力下长期运行，出现珠光体分解，即原为层片状的珠光体逐步分解为粒状珠光体。随着时间延长，珠光体中的碳化物分解，并进一步聚集长大，形成球状碳化物。由于晶界上具有更适宜碳化物分解、聚集、长大的条件，所以沿晶界分布的球状碳化物多于晶内的碳化物。进一步在晶界上可能形成空洞或微裂纹，材料变脆，最后造成脆性的断裂。这是所有珠光体耐热钢最常见的组织变化，也是必然的组织变化。珠光体球化可以使得材料的室温强度极限和屈服强度降低，使钢的蠕变极限和持久强度下降。因此，耐热钢必须满足其使用温度和应力的要求，在规定的时间内服役。温度或应力大于钢的许用值，将大大缩短设备的使用寿命。例如：发电厂锅炉中的炉体结构用钢、各类管道，都有不同的要求和选用不同的钢材。

经过长期高温运行后爆裂的20G钢管，显微组织中无法识别出珠光体组织，只能隐约看出珠光体原来的所在位置，如图4-36所示。从该图中可以观察到，在基体中有蠕变空洞及氧化物存在，空洞之间有裂纹连通。管子由外壁到内壁均存在晶粒粗大，晶界逐渐消失及部分晶界粗大的现象。靠近氧化层部分的晶界粗大现象比心部严重。

（2）石墨化：碳钢和不含铬的珠光体耐热钢在高温下长期运行过程中会产生石墨化现象。石墨化可使钢的强度极限降低，尤其对钢弯曲时的弯曲角和室温冲击性能影响很大。当石墨化严重时，钢的脆性升高，导致耐热零件脆性断裂。影响钢的石墨化的因素有温度、合金元素、晶粒大小、冷变形以及焊接等。用铝脱氧的钢的石墨化倾向较大，铬、钛、铌有阻碍石墨化的作用，含有铬的钢不产生石墨化，镍和硅有促进石墨化的作用。

图4-36 20G爆裂管子显微组织及SEM形貌

a)显微组织 b）管外壁SEM形貌 c）管子心部SEM形貌 d）管子内侧SEM形貌