背景简介

Grade 91钢的工程部件大多在高温和中低应力条件下运行。在这种条件下，结构部件的尺寸变化主要与热蠕变有关。因此，开发一个建模方法来理解和预测热蠕变机制及其与机械性能的关系对于评估使用部件的性能和寿命至关重要。

在金属中，塑性应变和蠕变松弛过程通过各种塑性耗散机制的组合来调节，例如位错滑移，位错攀移和空位介质的扩散等。变形机制的激活取决于操作条件（应力和温度）、环境、先前加载历史导致的内应力和微观结构。空位驱动的扩散过程在较高温度和较低应力下占主导地位。另一方面，在所有温度的中高应力作用下，位错运动占主导地位，位错迁移通过与现有阻碍的相互作用受到内部微观结构的强烈控制。在Grade 91钢中，通常会发生以下三种不同的微观结构阻碍：林位错，溶质和析出相。对于不同类型的微观结构，应力和温度对其位错迁移的影响是不同的。因此，需要具有显式应力、温度和微观结构依赖性的统一本构模型来模拟极端环境下金属的塑性变形。

成果介绍

本研究表明，初始微观结构的微小变化可以使蠕变速率发生很大的变化，这有助于解释实验数据的变化。此外，每个初始微观结构对蠕变响应的影响随施加的应力和温度而变化。在位错运动占主导地位的高温高应力下，初始位错密度和析出相含量的影响最为显著。另一方面，晶粒尺寸在扩散蠕变机制占主导地位的低应力和温度下起着重要的作用。

（1）本文提出的模型定量表现了实验观察到的应力和温度对稳态蠕变速率和蠕变第一阶段到第二阶段转变的影响。此外，该模型可以正确预测用于校准的应力和温度范围之外的蠕变响应。采用的本构模型如下所示：

①位错剪切速率：

②热激活滑移的等待时间：

③攀移过程的等待时间：

④扩散蠕变：

⑤位错密度演化：

图1 Grade 91钢模型参数的校准和验证。VPSC模型通过实验预测了各种温度下稳态蠕变速率与应力的函数关系。空符号和实心符号对应于实验值和模型预测值。参数标定共用圆圈突出显示7组，其余22组用于模型验证。

图2 （a）-（b）在600℃下对预测的蠕变响应以及不同应力的实验值进行建模;（c）-（d）650℃;（e）-（f）700℃。分别显示了蠕变应变和蠕变应变速率随时间的变化。实线和符号分别对应于模型预测值和实验值，虚线表示实验值的稳态蠕变速率。

（2）图3表征了位错滑行和扩散蠕变的相对贡献。在600 ℃和70 MPa时，位错滑行和扩散蠕变都有助于预测蠕变速率，随着应力从70 MPa增加到150 MPa，扩散蠕变贡献显著降低。在700 ℃时，对于低应力和高应力，位错滑移占主导地位，扩散蠕变的贡献几乎可以忽略不计。总体而言，位错滑移在高应力和高温条件下占主导地位，而在低应力和中等温度下，扩散蠕变也具有一定的贡献。

图3 在（a）600℃和（b）700℃下，两种不同应力下蠕变变形过程中位错滑移和扩散蠕变机制的相对贡献。

（3）该模型用于量化最相关的微观结构特征（位错密度、析出物含量和晶粒尺寸）对蠕变响应的影响，并体现其对应力和温度的依赖性。与扩散蠕变占主导地位的低应力和温度工况相比，初始位错密度和析出物含量对蠕变响应的影响在位错占主导地位的高应力和温度下是显著的。同时，在低应力和温度条件下下，晶粒尺寸起着至关重要的作用（图4，图5）。

图4 模型预测了（a）550℃、（b）600℃、（c）650℃和（d）700℃下不同微观结构的稳态蠕变速率与应力的函数关系和实验值。对于每种晶粒尺寸，总共考虑300种不同的微观结构。阴影区域表示蠕变率的分布，现有实验数据的差异可能与初始微观结构的差异有关。

图5 在（a）550℃、（b）600℃、（c）650℃和（d）700℃下，将达到1%蠕变应变的预测时间建模为不同微观结构的应力函数。对于每种晶粒尺寸和每个应力水平，考虑300种不同的微观结构。阴影区域表示由于初始微观结构的变化导致在达到1%蠕变应变的预测时间的不同。

致谢

这项工作由美国能源部，FE计划XMAT和NE计划NEAMS资助。本文通讯作者：Kumar M A（Materials Science and Technology Division, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, United States）。

本期小编：邱　瑞（整理）

杨逸璠（校对）

程　航（审核）

闵　琳（发布）