奥氏体不锈钢循环塑性的微观机理和宏观本构描述

摘要

由于具备较强的耐腐蚀性和较好的可塑性以及一定的强度，奥氏体不锈钢成为大型工业机械结构材料的首选，如化工厂的换热器、核电站的回路管道等。在这些应用场合中，承压冷热流体的波动引起温度场和力场的耦合周期性变化，对奥氏体不锈钢的循环机械可靠性提出了较高的要求，同时也引起了工程材料研究者的高度关注。
　　本文对304L和316LN两种奥氏体不锈钢在室温和高温下的循环塑性行为进行了一系列试验研究，结果发现：（1）304L奥氏体不锈钢在室温应变循环加载条件下呈现显著的二次循环硬化特征；（2）316LN奥氏体不锈钢在623-823 K温度范围内恒温应变循环加载条件下表现出显著的循环硬化，而且在423-823 K温度循环和机械应变循环耦合加载条件下表现出额外的循环硬化；（3）316LN奥氏体不锈钢的循环应力响应在室温下与应变率正相关，而在高温下对应变率不敏感；（4）316LN奥氏体不锈钢在室温应力循环加载条件下棘轮应变累积明显，而在高温下棘轮效应较快安定。奥氏体不锈钢的这些循环塑性特性主要与马氏体相变和动态应变时效相关。本文利用实时原位中子衍射对304L奥氏体不锈钢在室温下的应变循环行为进行了研究，结果表明在二次循环硬化阶段，马氏体相比奥氏体相承受的应力水平要高的多，但两相的平均应力状态均保持稳定，从而说明马氏体相的含量是影响材料循环硬化的关键因素。本文通过分析316LN奥氏体不锈钢的单轴拉伸、应变循环和应力循环行为，总结出了动态应变时效作用结果的特征，从而表明材料在高温下表现出的显著循环硬化是由动态应变时效所致。
　　本文还基于上述的试验结果，对316LN奥氏体不锈钢的循环塑性行为进行了宏观本构描述：（1）通过改进随动硬化律Ohno-Wang II模型中的硬化指数mi提出了一个可以描述该材料在室温下的循环硬化和率相关特性的粘塑性模型，能够更为准确的描述该材料室温不同加载条件下的棘轮行为；（2）以McDowell模型为框架，提出了一个将各向同性硬化律以非连续方式作用于短程背应力的演化的热粘塑性模型，可以对该材料不同温度和应变率下的单轴拉伸和应变循环行为进行较好的模拟，也能对该材料热机耦合循环、单轴棘轮以及有循环加载历史的单轴拉伸行为进行较好的预测。

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第1章 绪论

1. 1 奥氏体不锈钢的循环机械性能

1. 2 奥氏体不锈钢循环硬化微观机理

1. 3 循环塑性本构模型的发展

1. 4 本文研究内容及意义

第2章 室温马氏体相变的影响

2. 1 材料与试验

2. 2 试验结果与分析

2. 3本章小结

第3章 高温动态应变时效的影响

3. 1材料与试验

3. 2试验结果与分析

3. 3 本章小结

第4章 室温粘塑性本构模型描述

4. 1棘轮试验及结果

4. 2 粘塑性本构模型

4. 3 改进模型

4. 4 本章小结

第5章 热粘塑性本构描述

5. 1热机耦合循环试验

5. 2试验结果与分析

5. 3热粘塑性本构模型的构建和预测

5. 4本章小结

第6章结论与展望

参考文献

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