Page 13 - 《爆炸与冲击》2026年第8期

第 46 卷 彭 建，等： 核级不锈钢Z2CN18.10的Johnson-Cook本构模型和失效准则 第 8 期

−1
变曲线差异小于低应变率工况（0.001～0.01 s ）。这一现象源于高应变率下绝热温升与环境温度的耦合
效应：低应变率时，热量可充分散发，温度软化主要由环境温度主导；高应变率时，塑性变形产生的绝热
温升叠加环境温度，使得不同环境温度下的实际试样温度差异减小，导致温度软化系数 m 不再为常数，
表现出明显的应变率-温度耦合效应。而 J-C 模型采用线性叠加形式描述温度与应变率效应，无法完全
表征该耦合关系，这也是高应变率下模型预测存在微小偏差的主要原因。
2.2 缺口实验结果
图 14 和图 15 共同揭示了核级不锈钢 Z2CN18.10 的失效行为对应变率、温度及应力状态的复杂依
赖性。图 14 表明，在不同温度（25～400 ℃）和应变率（0.001～3 500 s ）条件下，材料的失效应变均随应
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力三轴度的增大而显著减小，同时随温度的升高而增大，显示出明显的应力三轴度敏感性与热软化辅助
−1
的延性提升效应。为探究其微观失效机制，选取 400 ℃、3 500 s 条件下的典型试样进行 SEM 断口分析
（图 15）。结果显示，所有缺口半径下的断口均以韧性断裂为主要特征，呈现均匀密集的韧窝结构及撕裂
棱，表明断裂过程中经历显著塑性变形。随着缺口半径减小（即应力三轴度升高），韧窝尺寸减小、分布
更为密集，微孔聚合速率加快，撕裂棱更明显。尤其在较小缺口半径（如 2、3 mm）下，局部塑性变形集中
并出现少量解理面，反映应力三轴度升高促使损伤演化加速，断裂韧性有所降低，但整体仍维持韧性断
裂机制。Z2CN18.10 材料的断裂本质是微孔形核、长大与聚合的过程，应力三轴度对这一过程起关键调

1.3
0.001 s −1 1.4 0.001 s −1 1.6 0.001 s −1
1.2 1 500 s −1 1 500 s −1 1.5 1 500 s −1
−1
−1
−1
2 500 s
2 500 s
2 500 s
Failure strain 1.1 3 500 s Failure strain 1.3 3 500 s Failure strain 1.3 3 500 s
1.4
−1
−1
−1
1.2
1.1
1.0
1.2
1.0
0.9
0.9 1.1
1.0
0.8 0.8 0.9
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Stress triaxiality Stress triaxiality Stress triaxiality
(a) 25 ℃ (b) 200 ℃ (c) 400 ℃
图 14 不同应变率的失效应变-应力三轴度关系
Fig. 14 Failure strain versus stress triaxiality at different strain rates

10 μm 10 μm 10 μm
(a) Notch radius of ∞ (b) Notch radius of 10 mm (c) Notch radius of 5 mm

10 μm 10 μm
(d) Notch radius of 3 mm (e) Notch radius of 2 mm

−1
图 15 温度 400℃、应变率 3 500 s 下不同缺口半径的断口形貌 SEM 图
Fig. 15 SEM images of fracture morphology of notched specimens with different notch radii at 400 ℃ and a strain rate of 3 500 s −1

081001-10