蠕变裂尖拘束效应对材料与结构的蠕变裂纹扩展速率具有显著的影响,在高温结构完整性设计和评定中,需要准确地纳入这种影响。裂尖拘束分为面内拘束和面外拘束,对于试样和结构中的三维裂纹,面内与面外拘束同时存在,其主要受试样和结构几何、裂纹尺寸及加载方式等的影响。为在含裂纹高温结构的蠕变寿命评价中准确地纳入裂尖拘束的影响,需要研究和发展可同时表征面内与面外统一蠕变拘束的参数。本文通过数值模拟、实验数据和理论分析相结合的方法,主要研究基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外统一的蠕变拘束参数Ac;材料的蠕变裂纹扩展速率与统一蠕变拘束参数Ac的关联;参数Ac统一地表征焊接接头裂纹的几何拘束(面内与面外拘束)与材料拘束的能力;基于参数Ac的含轴向和环向内表面裂纹承压管道的拘束表征和拘束参数解等。论文主要研究工作与结果如下:(1)采用基于延性耗竭蠕变损伤模型的有限元法模拟得到了不同面内和面外拘束C(T)试样的蠕变裂纹扩展速率,有限元计算了这些试样裂尖前的等效蠕变应变。基于裂尖前等效蠕变应变等值线所围的面积,研究定义了一个可同时表征面内与面外蠕变拘束的统一拘束参数Ac。参数Ac可与不同面内和面外拘束试样的蠕变裂纹扩展速率形成统一的关联线,表明Ac对面内和面外拘束同样敏感,其是一个可以统一表征面内和面外蠕变拘束的参数。进一步分析表明,参数Ac与载荷水平无关,与蠕变时间(t/tred>0.7)无关,与等效蠕变应变δc等值线的选取无关。参数Ac的这些特征使其便于进行拘束分析和工程应用。(2)通过三维有限元法,计算了不同几何和加载方式试样的拘束参数Ac,探明了参数Ac沿不同试样厚度的分布规律及试样尺寸的影响规律。对比分析了参数Ac和基于裂尖应力场的蠕变拘束参数R*、h和表征不同几何和加载方式试样的宽范围面内和面外拘束的能力。结果进一步表明,基于裂尖等效蠕变应变的参数Ac可用来准确定量地表征不同试样中宽范围的面内和面外拘束及其交互作用。(3)基于不同几何和加载方式试样的拘束参数Ac的计算,并结合文献中这些试样的蠕变裂纹扩展速率的实验数据和本文的数值模拟数据,研究建立了Cr-Mo-V钢和316H钢的蠕变裂纹扩展速率与拘束参数Ac的统一关联式。由关联式预测的不同几何试样的蠕变裂纹扩展速率与实验数据吻合。该关联式可望用于含裂纹高温结构的蠕变裂纹扩展寿命评价中,以提高评价的准确性。(4)采用延性耗竭蠕变损伤模型的有限元法模拟得到了不同面内和面外拘束水平焊接接头C(T)试样的蠕变裂纹扩展速率,并计算了参数Ac值。研究了参数Ac统一表征焊接接头裂纹的儿何和材料复合拘束的能力。结果表明,随几何拘束和材料拘束的增加,蠕变裂纹扩展速率加快;参数Ac可以同时表征焊接接头裂纹的几何拘束(面内和面外拘束)和材料蠕变性能失配引起的材料拘束效应。基于参数Ac建立了P92钢焊接接头裂纹的几何与材料统一拘束与蠕变裂纹扩展速率的关联式。(5)基于参数Ac,对含轴向和环向内表面裂纹承压管道的拘束进行了三维有限元计算表征。计算结果表明,裂纹前沿较深处的蠕变拘束水平比自由表面附近高,参数Ac可以表征管道表面裂纹的面内和面外蠕变拘束。管道裂纹的拘束水平随裂纹深度a/t的增加和裂纹深长比a/c的减小而增大,随管道径厚比Ri/t和壁厚t的增大而升高。计算得到了管道裂纹的拘束参数Ac的有限元解,并拟合得到了计算管道裂纹前沿最深点、表面点及裂纹前沿平均拘束值的经验公式。