高温装备——面向现代高技术的挑战

结构强度是一个古老的科学命题。自 15 世纪末期 da Vinci 的铁丝断裂实验，到 1638 年 Galileo 在《关于两门新科学的对话》中首次关于强度判据的描述，乃至第一次工业革命由设备事故频发引起人们对强度问题的更加关注。此后数百年间，人们构建了上百个强度模型和设计准则，机械强度学遂发展成为一门重要的学科方向，为 20 世纪制造业的繁荣奠定了重要的科学基础。

随着航空发动机、燃气轮机、新一代核电等高端装备的战略地位凸显，高温环境下结构的损伤与断裂理论成为当今机械强度领域最为活跃、最具挑战性的方向之一。高温下结构的损伤导致渐进性变形和低应力失效，表现为时间相关特征，其具有难预测、难发现、强破坏的特点，成为制约产品质量与服役安全的“顽症”和 21 世纪机械强度研究领域的前沿与热点。

图 强度学研究的不同范畴与理论基础

作为结构强度分析的“核心三要素”之一，如何建立强健而精确的材料本构方程(应力-应变关系)，尤其是高温下的黏塑性本构关系是高温强度研究面临的重要挑战。本构关系是关于材料在外载荷下变形-内应力响应的数学描述，结构强度分析和寿命预测均基于关键部位应力、应变状态的准确预测，这依赖于所采用的本构关系能否精准反映高温下变形-内应力响应的时间相关特征。

图 高温结构强度分析的三要素

1678 年，Hooke 首次提出了描述材料弹性行为的胡克定律；随着工业革命和机器制造业的发展，人们发现了材料的屈服现象，Tresca 于 1864 年进一步建立了塑性屈服准则；1922 年，Jenkin 提出了描述滞回环和棘轮变形的循环塑性本构；1956 年，Prager 进而将非弹性流动与屈服条件相关联，建立了塑性-蠕变统一的本构方程；1978 年，法国科学家 Chaboche 进一步引入 Armstrong-Frederick 非线性硬化准则，实现了对应变记忆效应的描述，并被作为法国核电设计规范 RCC-MR中快堆容器强度分析的基础。

其后半个多世纪中，人们针对奥氏体不锈钢(如 304、361FR、316L 和1Cr18Ni9Ti 等)、铁素体耐热钢(如 P91、FB2 和 X13 等)、镍基高温合金等开展了大量的高温疲劳、蠕变-疲劳等实验研究，揭示了加载水平、加载历史、加载路径和环境温度等因素对棘轮、松弛、循环软化/硬化等行为的影响规律，相继建立了宏观唯象模型、微观模型及晶体学模型等不同尺度、不同物理机制的本构关系。然而，由于高温交变载荷下应力-应变响应的时间相关性，如何精准刻画黏塑性、时间相关性、载荷史相关性等行为特征仍是研究的难点。

近十余年来，作者在国家杰出青年基金(51325504)、国家自然科学基金重点项目(50835003、51835003)、国家 863 计划(2006AA04Z413、2009AA044803)等国家及企业课题支持下，开展了循环载荷下高温结构及材料黏塑性行为的从基础到应用、从测试方法到理论模型、软件工具等方面的系统研究。尤其是结合百万千瓦级超超临界汽轮机、百万千瓦级核电汽轮机、第四代核电压力容器及蒸发器等多项重大工程和重大装备的首台套制造，以新型 9-12%Cr 马氏体钢等为对象，揭示了棘轮-蠕变交互作用、平均应力松弛和软化交互效应、滞弹性效应、应力疲劳中的位错崩塌效应等新现象，建立了描述其行为特征的系列本构模型，为高温结构强度的材料-结构一体化分析提供了一定的理论基础。

本书系作者与学生在高温结构强度领域长期研究成果的凝结，同时融入了本领域国内外科学家的大量成果和最新进展。全书内容共分为 10 章，第 1 章简要介绍了高温构件循环黏塑性行为基本理论的研究背景、现状及本书的逻辑构架；第2 章和第 3 章从实验现象和理论建模两方面，分别介绍了循环黏塑性变形的特征及基本概念、循环黏塑性本构的基本方程；第 4 章针对 9-12%Cr 马氏体耐热钢多层分级结构特点，阐述其高温循环载荷损伤和对变形演化微观机制的新认识；第5 章和第 6 章分别介绍了基于位错演化及崩塌机制、基于晶体塑性理论的循环黏塑性本构模型；第 7 章介绍了描述平均应力松弛效应的黏塑性唯象本构模型；第8 章和第 9 章分别介绍循环软化-应力松弛交互作用、棘轮-蠕变交互作用描述的统一黏塑性本构模型；第 10 章着重介绍循环黏塑性行为对疲劳寿命的影响规律及其寿命预测模型的修正。

本书的主要研究成果已在相关国内外期刊发表，部分成果获得了软件注册和专利。该研究方法具有一定的通用性，可以推广应用于其他机械结构和零部件的高温强度分析与寿命设计，尤其对航空航天、火力发电、原子能发电等行业高温装备的强度设计与完整性评估，具有一定的参考价值和指导意义。

高温构件循环黏塑性行为及本构理论

轩福贞，赵鹏 著

北京：科学出版社，2021.1

ISBN 978-7-03-067608-5

责任编辑：耿建业 冯晓利

内容简介

《高温构件循环黏塑性行为及本构理论》是一本机械强度领域的专著，主要阐述高温循环载荷下构件和材料的黏塑性行为及本构理论。全书共分 10 章，内容包括：基本概念和基本方程、棘轮-蠕变交互作用、平均应力松弛、滞弹性效应、应力疲劳中的位错崩塌效应等循环黏塑性行为和微观机制，描述上述行为特征的物理机制本构、晶体塑性本构、黏塑性唯象本构、统一黏塑性本构、损伤耦合本构，以及黏塑性行为对疲劳寿命的影响及寿命预测模型修正，为材料-结构一体化强度分析提供了一定的理论基础。

本书可作为机械工程及相关专业研究生及高年级本科生的教材，对于从事航空航天、火力发电、新一代核电等行业领域的设备强度寿命分析及结构完整性评价的研究人员，亦具有一定的参考价值。

本书目录

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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 高温装备——面向现代高技术的挑战 1
1.2 高温构件强度涉及的基本要素 3
1.3 高温构件循环黏塑性行为的基本特征 5
1.3.1 循环黏塑性行为及基本特征 5
1.3.2 高温蠕变及循环黏塑性耦合的行为特征 7
1.3.3 循环变形的微观特征及研究现状 10
1.4 高温构件循环本构模型发展简述 14
1.5 本书的基本框架及逻辑路线 16
参考文献 17
第2章 循环黏塑性变形的基本特征与概念 20
2.1 基本概述 20
2.2 包辛格效应 22
2.3 循环硬化/循环软化 23
2.4 Masing效应及应变范围效应 25
2.5 棘轮效应/平均应力松弛 26
2.6 平均应力相关的硬化行为 27
2.7 历史记忆效应 28
2.8 循环塑性-蠕变/松弛的交互效应 29
2.9 小结 31
参考文献 32
第3章 黏塑性循环本构的基本方程 34
3.1 引言 34
3.2 宏观唯象循环塑性及黏塑性本构模型 35
3.2.1 主控方程 35
3.2.2 非线性随动硬化律及其发展 37
3.2.3 时间相关的循环变形 41
3.3 基于微细观组织演化特征的本构模型 43
3.4 小结 46
参考文献 46
第4章 高温构件的循环黏塑性特征及微观机制 50
4.1 超超临界电站典型材料的高温疲劳试验 50
4.1.1 X12CrMoWVNbN10-1-1汽轮机转子钢 51
4.1.2 P92高温管道钢 53
4.2 循环黏塑性分析的内应力划分理论 55
4.3 疲劳载荷下的循环塑性特征及微观机制 58
4.3.1 载荷水平相关的循环软化行为及变形特征 59
4.3.2 载荷水平对循环软化过程中的内应力演化的影响 63
4.3.3 载荷水平对循环软化过程中的微观组织演化的影响 64
4.4 载荷控制模式对循环黏塑性行为的影响及微观机制 67
4.4.1 不同控制模式下的循环响应及内应力演化 67
4.4.2 循环内应力演化的微观机制 69
4.5 循环平均应力松弛的行为特征及微观机制 72
4.5.1 循环平均应力松弛行为的宏观特征 72
4.5.2 循环平均应力松弛相关的内应力演化 74
4.5.3 循环平均应力松弛相关的微观组织演化 76
4.5.4 微观组织与循环内应力演化的关联 78
4.6 高温疲劳载荷下的蠕变效应及微观机制 79
4.6.1 循环软化与应力松弛交互的加速效应 80
4.6.2 循环软化与应力松弛的交互作用的微观机制 82
4.7 高温疲劳中的滞弹性效应及动力学机制 85
4.7.1 循环载荷下的滞弹性回复现象 85
4.7.2 滞弹性回复效应的动力学机制 86
4.8 高温疲劳过程中的棘轮-蠕变交互效应及微观机制 88
4.8.1 棘轮-蠕变交互效应及微观组织来源 88
4.8.2 蠕变-棘轮交互效应的微观机制分析 94
4.9 小结 97
参考文献 98
第5章 基于位错演化机制的循环黏塑性本构模型 102
5.1 引言 102
5.2 不同加载模式下位错演化动力学 103
5.2.1 不同加载模式下的循环滞后回环分析 103
5.2.2 应力疲劳中的位错崩塌动力学 104
5.3 基于位错演化的循环黏塑性模型 108
5.3.1 应变疲劳(或应力疲劳的F1阶段) 110
5.3.2 应力疲劳(F1+F2阶段) 111
5.3.3 位错交互作用的概率性分析 113
5.4 模型参数的确定 114
5.4.1 参数标定过程 114
5.4.2 循环变形的幅值相关性 117
5.5 基于 9-12%马氏体钢的应用验证 119
5.5.1 宏观变形响应 119
5.5.2 内应力状态及微结构演化 121
5.6 小结 125
参考文献 126
第6章 基于晶体塑性理论的微观黏塑性本构模型 129
6.1 引言 129
6.2 体心立方(BCC)晶体中的滑移系 130
6.3 不均匀粗化对背应力组分的影响 134
6.4 基于晶体塑形理论的黏塑性本构模型 136
6.4.1 单晶模型 136
6.4.2 多晶模型 141
6.5 模型应用案例——9-12%马氏体钢 141
6.5.1 晶体塑性模型参数的标定 141
6.5.2 循环软化的模拟 144
6.5.3 滞后回环的模拟 146
6.5.4 微观组织演化的模拟 147
6.6 小结 148
参考文献 149
第7章 循环平均应力松弛行为特征及黏塑性模型 151
7.1 引言 151
7.2 循环平均应力松弛行为的特征 152
7.2.1 单调变形的率相关效应 152
7.2.2 对称应变循环条件下的软化行为特征 152
7.2.3 非对称条件下的平均应力松弛及循环软化行为 154
7.3 考虑平均应力松弛的本构模型 157
7.3.1 Abdel-Karim-Ohno模型对于棘轮预测的适用性 157
7.3.2 主控方程 157
7.3.3 各向同性硬化法则 158
7.3.4 随动硬化法则 158
7.3.5 应力松弛因子 159
7.4 模型中材料参数确定 160
7.4.1 拉伸参数 160
7.4.2 各向同性硬化模型参数 161
7.4.3 随动硬化模型参数 162
7.4.4 应力松弛因子参数 163
7.5 对平均应力松弛再现能力的验证 167
7.6 小结 171
参考文献 171
第8章 循环软化与应力松弛的交互效应及本构模型 173
8.1 引言 173
8.2 循环软化与应力松弛的交互效应 174
8.3 Chaboche模型用于蠕变-疲劳交互效应的评价 178
8.3.1 主控方程 178
8.3.2 内部变量演化准则 179
8.3.3 Chaboche模型的蠕变-疲劳模拟能力验证 180
8.4 循环软化和应力松弛交互效应的统一黏塑性本构模型 181
8.4.1 随动硬化准则 182
8.4.2 各向同性硬化准则 183
8.5 模型参数的确定 184
8.6 模型的验证及讨论 186
8.6.1 蠕变加速循环软化行为的模拟 186
8.6.2 循环减速应力松弛行为的模拟 187
8.6.3 疲劳与蠕变-疲劳滞回环响应的模拟 191
8.7 小结 194
参考文献 195
第9章 棘轮与蠕变的交互效应及损伤耦合黏塑性本构模型 197
9.1 引言 197
9.2 棘轮与蠕变交互效应的宏观响应特征 198
9.2.1 非对称循环载荷下的棘轮效应 198
9.2.2 零平均应力下的棘轮效应 203
9.2.3 蠕变-棘轮交互效应 205
9.3 基于棘轮模拟的现有本构模型特征 209
9.3.1 基本方程的各向异性特征 210
9.3.2 棘轮变形行为的静态回复和临界值特征 210
9.3.3 循环软/硬化行为的形状硬化特征 211
9.4 本构模型参数的确定 213
9.5 统一黏塑性循环本构模型模拟能力的评估与讨论 217
9.6 损伤耦合统一黏塑性循环本构模型 220
9.6.1 损伤耦合本构方程 221
9.6.2 各向同性损伤演化准则及改进 222
9.6.3 损伤参数的确定 224
9.7 损伤耦合本构模型的模拟结果与讨论 225
9.7.1 零和非零平均应力棘轮行为的模拟 225
9.7.2 蠕变-棘轮行为的模拟 227
9.7.3 疲劳和蠕变-疲劳行为的模拟 227
9.8 小结 229
参考文献 230
第10章 考虑高温循环黏塑性特征的寿命预测模型 232
10.1 引言 232
10.2 高温疲劳的拉压不对称特征及寿命模型 233
10.2.1 高温疲劳中的拉压不对称行为 233
10.2.2 不同载荷控制模式下9-12%Cr钢的寿命修正模型 238
10.3 非对称加载中的滞弹性回复行为与寿命模型的修正 242
10.3.1 滞弹性回复对蠕变疲劳载荷下循环变形的影响 242
10.3.2 时间分数法修正 251
10.3.3 延性耗竭法修正 254
10.4 小结 257
参考文献 258
主要符号说明 260

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（本文编辑：王芳）

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