Page 14 - 《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

控作用。低应力三轴度时，断口以大尺寸韧窝为主，属于典型韧性断裂，材料需经历充分塑性变形后失
效。随着应力三轴度的升高，静水压力增大，微孔形核率提升、聚合加快，断口韧窝密度增加且尺寸减
小。高应力三轴度下，微孔快速贯通，部分区域出现解理面，形成微孔聚集-解理复合型断裂，材料延性明
显下降。这些结果说明，在构建该材料的 J-C 失效准则时，需同时纳入应力三轴度、应变率与温度的耦
合影响，以准确预测不同加载条件下的损伤起始与演化。

2.3 J-C 模型结果
图 16 展示了核级不锈钢 Z2CN18.10 在 25、200 和 400 ℃ 3 种温度下 J-C 本构模型的拟合结果与实
验数据的对比，本构模型参数见表 4。从图 16 可以看出，在不同温度和应变率条件下，J-C 模型预测的流
动应力响应与实验曲线整体吻合良好，尤其在应变强化和温度软化效应的表征上具有较高的准确性，表
明所建立的 J-C 本构模型能够有效描述该材料在宽范围温变与动态加载下的力学行为。尽管在极高应
变 率 或 高 温 段 可 能 存 在 一 定 偏 差 ， 可 能 与 绝 热 温 升 效 应 或 微 观 机 制 转 变 有 关 ， 高 应 变 率 加 载 时 ，
Z2CN18.10 不锈钢的塑性功会快速转化为热能，引发绝热温升效应。这种温升会直接导致材料热软化，
部分抵消应变率强化作用，进而影响 J-C 本构模型参数的准确性，尤其会低估应变率敏感系数 C 的值。
但整体的拟合结果验证了模型参数标定的可靠性及其在工程应用中的适用性，为后续该材料的失效行
为模拟与结构抗冲击分析提供了可信的本构基础。

1 200 1 000

1 000 800
True stress/MPa 800 True stress/MPa 600

600
400
400
200 200

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
True plastic strain True plastic strain
(a) 25 ℃ (b) 200 ℃
900
800
700
600
True stress/MPa 500
400
300
200
100

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
True plastic strain
(c) 400 ℃
Experiment at 0.001 s −1 J-C model at 0.001 s⁻¹ Experiment at 0.01 s −1 J-C model at 0.01 s⁻¹
Experiment at 500 s −1 J-C model at 500 s⁻¹ Experiment at 1 000 s −1 J-C model at 1 000 s⁻¹
Experiment at 2 000 s −1 J-C model at 2 000 s⁻¹ Experiment at 3 000 s −1 J-C model at 3 000 s −1

图 16 Johnson-Cook 本构模型拟合结果
Fig. 16 Johnson-Cook constitutive model fitting results
表 5 为不同工况拟合相关系数 R ，模型在核心工况下表现优异，高应变率工况（500～3 000 s ）中，25 ℃、
−1
2
3 000 s 工况 R 达 2 0.992，400 ℃、2 000 s 工况 R 高达 0.995，均接近 1.0，体现了模型对高应变率下材料
2
−1
−1
081001-11