蠕变裂纹扩展是高温下含缺陷构件寿命预测研究的关键问题,它依赖于温度、时间、环境、材料、载荷、几何结构以及多轴应力状态等多种因素。数值模拟可以深入分析实际结构及裂纹尖端附近应力、应变、能量及损伤随时间变化的复杂情况,因此得到了学术界和工业界越来越多的关注。多轴应力下的蠕变本构方程和损伤演化模型是蠕变裂纹扩展数值模拟技术的核心基础,但其理论体系还尚未完善。例如,基于应力的模型中材料参数繁冗,需要耗费大量精力进行校准；基于应变的模型所采用的多轴延性因子或缺乏明确的物理意义,或仅在狭窄的多轴应力范围内有效。同时,由于三维裂纹问题的复杂性,目前表面蠕变裂纹扩展模拟的成功案例甚少。针对以上问题,本文一方面应用高温断裂力学理论进行三维表面裂纹扩展的模拟；另一方面,通过理论分析,力图建立新的蠕变本构方程和多轴蠕变延性模型,发展基于蠕变损伤力学的数值模拟技术,对高温下多种试样或结构的裂纹扩展速率和形貌变化进行分析,并与相应的试验数据进行对比。主要研究工作和结论如下：(1)将高温断裂力学理论与有限元方法进行结合,以600℃下受拉伸载荷作用的316不锈钢指甲盖形裂纹试样为研究对象,采用逐步分析方法对三维试样中的表面裂纹扩展进行了数值模拟。与前人试验结果对比,发现基于高温断裂力学的有限元方法可以合理地描述表面蠕变裂纹的形貌变化,但预测的裂纹扩展寿命是实际试验时间的2-3倍。(2)从微观力学的角度出发,构造了新的与损伤耦合的蠕变本构方程。并在此基础上编写了相应的ABAQUS子程序,模拟了600℃下的316不锈钢和550℃的T91钢多种试样中的蠕变裂纹扩展行为。研究发现,与广泛接受的Kachanov-Rabotnov模型相比,本文提出的与损伤耦合的蠕变本构方程能更好地描述损伤变量对蠕变速率的影响；和Liu-Murakami模型相比,本文提出的模型能更好地描述多轴应力状态对蠕变速率的影响,并改善有限元预测结果对于网格尺寸的依赖性。与相应试验结果进行的对比表明,本文发展的基于蠕变损伤力学的数值模拟技术不仅能够准确地预测裂纹形貌,也能合理地估计裂纹扩展的时间,证明了本文所提出的蠕变损伤模型的预测能力。(3)基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型。该模型和应用广泛的Cocks-Ashby近似模型相比,计算得到的孔洞长大速率与理论值的吻合程度要更好,预测的多轴蠕变断裂应变在高应力三轴度下和试验数据更为一致,且克服了Cocks-Ashby多轴蠕变延性因子在双轴应力比为负值时不适用的缺陷。在此基础发展了有限元模拟方法,分析了550℃下316H不锈钢紧凑拉伸试样和C型试样中的蠕变裂纹扩展行为,并与相应的试验结果以及前人的模拟结果进行了比较,再次验证了蠕变损伤模型和相关数值模拟技术的可行性。(4)分别基于前述章节发展的高温断裂力学及蠕变损伤力学有限元方法,以拉伸载荷作用平板中的双半椭圆形表面蠕变裂纹为对象,研究了它们相互干涉、扩展及合并的全过程,并考核了现有合并准则在高温蠕变机制下的适用性。研究发现,当两个表面蠕变裂纹之间的最短距离大于裂纹的深度时,几乎是独立扩展的；进一步靠近时,它们的相邻区域的扩展量要明显大于其他区域；接触后,新合并裂纹的凹陷的部分体现出了显著较高的裂纹扩展速率；最后,在很短的时间内凹角处趋于平滑,整个裂纹形状再次变得饱满。在所分析的材料参数范围内,API579和GB/T19624建议的合并准则对于蠕变条件下的缺陷显得过于保守。