P92钢微观组织结构对力学行为影响的晶体塑性模拟研究

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P92耐热钢作为超超临界火力发电用钢的代表,具有良好的高温蠕变力学性能和耐腐蚀性能。然而,实际服役过程中第二相粒子,位错密度和马氏体板条等微观结构演变会影响P92钢的高温力学性能,降低服役寿命。因此,评价微观结构对P92钢力学性能的影响具有实际工程意义。研究表明,P92钢服役时多种微观结构的演化同时进行,通过实验方法很难区分单个组织特征对具体力学性能的影响,同时缺少对P92钢微观塑性变形机制的研究。为此,本文建立P92钢物理机制晶体塑性有限元模型,探究P92钢的微观塑性变形机制,以及第二相粒子M23C6和板条结构对P92钢塑性变形的影响。(1)利用晶体塑性有限元模型模拟分析了P92钢拉伸变形行为,探究了滑移系以及典型织构对于P92钢拉伸强度的影响。结果表明:P92耐热钢呈现不均匀塑性变形,在晶界处存在位错塞积和应力应变集中现象,易造成晶界处裂纹萌生和损伤开裂;与相关实验研究一致,三个主要滑移系中,P92钢滑移系统的激活主要集中在{110}滑移系上;织构对P92钢塑性变形具有显著影响,符合施密特定律,在[001](11 0)织构作用下,获得最小的施密特因子,具有更高的应变硬化指数和更强的抗塑性变形能力。(2)为了探究M23C6的析出数量以及组织特征对P92钢高温塑性变形的影响,建立含有M23C6的二维晶体塑性模型,模拟分析了P92钢在600℃下的拉伸行为。结果表明:随着M23C6析出数量的增加,模型出现明显的应变梯度,加剧了局部塑性变形的不均匀性;应变集中和高位错密度往往出现在M23C6和基体交界处,同时与加载方向成约45°的夹角,其中形貌圆滑的棒状和球状M23C6有利于缓解应变集中;M23C6与基体的三种取向关系中,Pitsch取向关系更有利于降低局部应变集中,缓解位错塞积。(3)为了探究板条取向结构特征以及粗化行为对于蠕变行为的影响,建立不同尺寸的板条模型,模拟了P92钢650℃高应力下的蠕变行为,深入探究了晶界角度和晶体取向关系对蠕变性能的影响。结果表明:板条粗化降低了P92钢的硬化强度,促进滑移系开动,导致蠕变变形速率加快;板条结构中晶界角度的分布主要集中在2°~6°和50°~60°范围内,其中小角度晶界有利于塑性变形,大角度晶界对塑性变形产生阻碍作用;相变的马氏体板条与奥氏体母相晶粒通过特殊取向关系联系在一起,典型取向关系中G-T取向有利于保持板条结构的蠕变强度。
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