由于具有优异的蠕变强度、抗氧化性和成本效益，9–12% Cr耐热马氏体钢已广泛应用于火电厂，例如T/P91、T/P92、MarBN和SAVE12AD。许多研究表明这些传统的耐热马氏体钢不再适合工作温度约为923 K的新一代发电厂。为了解决这个问题，一种新型耐热马氏体钢9Cr3Co3W1CuVNbB钢是运行温度为923 K的高效发电厂的候选材料。为了新设计的电厂的安全运行，必须彻底研究任何新设计的钢材的PF和CF性能。来自天津大学材料科学与工程学院的Kai Song等人研究了9Cr3Co3W1CuVNbB钢在923 K下的疲劳和蠕变疲劳行为。深入讨论了循环应力-应变响应和微观结构演变（位错密度、亚晶界演变以及相与位错之间的相互作用）。特别是，借助分子动力学（MD）方法模拟了PF载荷和CF载荷下位错与相之间相互作用的动态过程。最后，基于其微观力学机制，提出了一个统一的基于物理的本构模型来描述PF和CF载荷模式下的复杂强化机制。实验和模拟结果非常吻合，表明这是一种很有前途的方法，可以深入了解所研究的耐热马氏体钢的应用。图 1(a)和(b)分别展示了PF和CF试验下最大拉伸应力随循环次数的变化，在所有情况下都观察到了连续软化行为。图 2（a）和（b）分别为PF试验和CF试验在断裂寿命一半时的滞回环。随着保载时间的增加，最大拉应力略有下降。考虑到PF试验和CF试验中的最小压应力相似，CF试验中出现了负平均应力（最大拉应力与最小压应力之和的一半）。图 2（c）显示了保载时间内的应力松弛行为，可以看出应力急剧下降，并且下降速率减小。一般而言，随着保压时间的延长，应力会达到饱和。因此，进行了保载时间为600 s的CF试验进行比较，其应力松弛曲线如图 2（d）所示。当保压时间超过400 s时，出现饱和应力。![]()
图1 （a）PF试验和（b）CF试验下最大拉伸应力与循环次数的关系，以及（c）所研究钢923 K下的循环软化率。
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图2 CF试验中，总应变范围为（a）0.8% 和（b）1.2% 时，断裂寿命一半时的滞回环，以及断裂寿命一半时（c）60 s停留时间和（d）600 s停留时间内的应力松弛曲线。
图3和图4显示出了位错运动受到硬质相和CRP阻碍的动态过程。首先，分析位错与硬质相之间的相互作用。对于情况0，位错在与相相互作用时弯曲（见图3（a））。此外，模拟了图3（a）中被硬相阻止的位错攀移。值得注意的是，当位错移动到模拟盒子的边界之外时，由于周期性边界条件，它出现在盒子的另一侧。可以观察到，与case 0相比，位错在硬相边缘开始收缩，并且随着应变的增加而显着攀移。如果应变继续增加，最终会形成位错环。在case 2中施加反向载荷时，位错立即向相反方向移动，而位错形状没有发生变化（见图 4（a））。这意味着如果卸载时间足够长，位错可能会从硬沉淀中分离出来。这表明在PF测试和CF测试中反向加载期间位错运动与相类型无关。![]()
图3 (a)case0和 (b) case 1的位错和相之间的MD模拟。
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图4 (a)case2 和 (b) case 3 的位错和相之间的MD模拟。
图 5（a）和（b）展示了在不同测试条件下采用所提模型进行的实验和模拟的最大拉伸应力。结果表明，所提模型可以描述PF条件和CF条件下的连续软化行为，包括快速软化阶段和稳定软化阶段。在所有情况下，从模拟中获得的这两个阶段的比例相似。此外，图 5（c）中模拟的循环软化率与实验结果非常吻合。这些现象表明，所提模型可以描述PF和CF条件下的各种强化机制。![]()
图5 实验与模拟的比较：(a) PF试验下的最大拉伸应力，(b) CF试验下的最大拉伸应力，以及(c) 循环软化率。
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图6 不同加载模式下实验与模拟的滞回环对比。
相关研究成果以“A physically-based constitutive model for a novel
heat resistant martensitic steel under different cyclic loading modes:
Microstructural strengthening mechanisms”为题发表在International Journal of Plasticity上(Volume 165, June 2023, 103611)，论文第一作者是Kai Song，通讯作者是Kai Song和Lei Zhao。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103611
