奥氏体不锈钢中低温蠕变机制及本构模型研究

The theory of high temperature creep is comprehensive, and has been applied in the design and assessment of high temperature equipments. Many practical cases indicated that, creep at low and intermediate temperature also threatened the safety and reliability of equipments. However, the studies about creep at low and intermediate temperature were limited, and the theory of low and intermediate temperature creep is still not comprehensive. In this study, experimental research, microstructure observation and theory analysis are synthetically utilized to study macroscopic creep characteristic, microscopic creep mechanism, thermal activation energy theory and constitutive model of the low and intermediate temperature creep for austenitic stainless steel. Detailed contents contain: obtaining the macroscopic creep characteristics of austenitic stainless steel at low and intermediate temperature; revealing the evolution law of microscopic creep mechanism; constructing the quantitative description method of creep mechanism based on thermal activation energy theory; quantitatively illuminating the evolution process of creep mechanism; constructing the low and intermediate temperature creep deformation mechanism map; constructing the low and intermediate temperature creep constitutive model based on the creep microscopic mechanism and the thermal activation energy theory. The aim of this study is to enrich the creep knowledge system by supplying the low and intermediate temperature creep theory, and give a theoretical foundation for the safety and reliability of austenitic stainless steel equipments.

高温蠕变已建立了系统的理论知识体系，并运用到了高温设备的设计与安全评定中。诸多工程案例表明材料的中低温蠕变也会威胁设备的安全可靠性，但关于中低温蠕变行为的研究十分有限，其理论知识体系尚不完善。本研究以奥氏体不锈钢为研究对象，采用实验研究、微观组织观察和理论分析相结合的方法，对其中低温蠕变从宏观蠕变特征、微观变形机制、热激活理论及本构模型开展系统研究。主要研究内容包括：揭示奥氏体不锈钢中低温蠕变宏观特征的演化规律；揭示中低温蠕变微观变形机制；基于热激活能理论构建蠕变机制的定量化描述方法；定量化阐明蠕变机制的演化规律；构建奥氏体不锈钢的中低温蠕变变形机制图；以中低温蠕变机理和中低温蠕变热激活能理论为基础，构建有明确物理意义的奥氏体不锈钢中低温蠕变本构模型。本研究旨在补充中低温蠕变理论知识完善蠕变知识体系，并为保障奥氏体不锈钢设备中低温服役的安全可靠性提供理论依据。

高温蠕变建立了系统的理论知识体系，并运用到了高温设备的设计与安全评定中。中低温蠕变行为的研究有限，其理论知识体系尚待完善。本项目围绕奥氏体不锈钢中低温蠕变行为，综合采用了金属学理论、蠕变力学理论、热激活能理论、多种蠕变实验方法（标准蠕变实验、变截面蠕变实验、相续蠕变实验、小冲孔蠕变实验）、多尺度显微组织分析方法（OM、SEM、XRD、EBSD、TEM）、蠕变有限元仿真技术等全方面多维度的研究技术手段，从蠕变力学行为、蠕变变形机制、蠕变热激活能、蠕变本构模型、应变强化对蠕变行为的作用机制等多方面开展系统研究。主要研究结果包括：. （1）基于多种蠕变实验研究揭示了奥氏体不锈钢蠕变力学行为随温度的演化规律，随着温度的升高蠕变行为先减弱后增强。（2）结合金属学理论以及多尺度显微组织分析揭示了奥氏体不锈钢蠕变变形机制的演化规律，蠕变机制由室温下位错滑移与孪晶变形主导，演化为中温环境动态应变时效主导，最后转变成高温位错攀移主导的变形机制。（3）基于热激活能理论研究，揭示了奥氏体不锈钢热激活能参量随温度的演化规律。（4）结合显微组织分析结果与热激活能分析结果，解释了奥氏体不锈钢中低温蠕变力学行为的演化规律，并构建了奥氏体不锈钢中低温蠕变变形机制图。（5）研究了应变强化对奥氏体不锈钢中低温蠕变行为的影响规律，揭示了应变强化对奥氏体不锈钢中低温蠕变的作用机制。项目执行期间发表研究论文15篇，其中SCI与EI期刊论文6篇，国内外学术会议论文9篇，申请发明专利2项，培养研究生6名，全面完成了项目计划的研究内容与技术指标。. 通过本项目的研究全面揭示了奥氏体不锈钢中低温蠕变力学行为、热激活能参量、变形机制随温度的演化规律，本项目的研究成果补充了中低温蠕变理论知识，进一步完善了蠕变知识体系，并能够为保障中低温服役条件下奥氏体不锈钢设备的长期安全稳定运行提供理论基础。