Page 5 - 《爆炸与冲击》2026年第8期
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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

               respectively,  indicating  good  agreement.  The  established  reliable  dynamic  constitutive  model  and  failure  criterion  for
               Z2CN18.10 stainless steel provide an important methodological and data foundation for the impact-resistant design and safety
               assessment of nuclear power piping systems.
               Keywords:  stainless steel material Z2CN18.10; Johnson-Cook constitutive model; Johnson-Cook failure criterion;
               electromagnetic-Hopkinson bar; high-speed impact experiment

                   核级不锈钢      Z2CN18.10  广泛应用于核电站管道系统，其在高应变率与高温耦合环境下的动态力学
               行为对评估结构在冲击载荷下的安全性能具有重要意义。根据                              HAF102—2016《核动力厂设计安全规
                                                                              [1]
               定》，核设施须针对飞射物、管道甩击等内部危险采取防护与分析措施 。传统弹性本构模型难以准确
               描述强动载引起的塑性变形与失效行为，亟需建立能够反映应变率、温度与应力状态效应的弹塑性本构
               模型与失效准则       [2-4] ，为核级结构抗冲击设计提供分析基础。
                   在材料动态力学性能测试与本构模型研究方面，Johnson-Cook (J-C) 模型因其形式简洁，被广泛用于
               冲击载荷下金属材料的响应预测 。学者们针对多种金属材料开展了相关研究，如张伟等                                        [6]  通过万能试
                                            [5]
               验机、扭转试验机和         Taylor 撞击实验，研究了        7A04  铝合金在常温至       250 ℃  下的动态力学行为，并修正
               了  J-C  模型中的应变强化与温度软化项；Cheng              等 [7]  开发了考虑应力状态与应变率耦合的              Ti6Al4V  本构
               模型，其预测结果与实验结果吻合良好。在核电材料方面，胡凌等                             [8]  研究了经中子辐照的       Al-Mg-Si 合金
               的动态压缩行为；高宁等 则针对               A106  碳钢、304L  不锈钢等管道材料，开展了             J-C  模型参数识别和冲击
                                    [9]
               验证。此外，林莉等        [10]  和陈春林等  [11]  分别对  Q355B  钢和  Al 基含能材料进行了类似研究。在实验技术方
               面，传统高压气体驱动子弹撞击的                Hopkinson  杆是通过机械方式产生入射波             [12-15] ，电磁驱动  Hopkinson
               拉杆实验加载技术利用电磁感应原理直接加载从而产生应力波，可控性好、加载范围大及实验效率高，
               适  用  于  研  究  高  塑  性  金  属  材  料  （ 如  不  锈  钢  ） 在  大  应  变  条  件  下  的  动  态  响  应  [16-19] 。  然  而  ， 现  有  研  究  中  针  对
               Z2CN18.10  不锈钢的系统性研究存在不足，首先，多数研究聚焦于常规温度或单一应变率范围，缺乏对
               25～400 ℃  宽温域和     10 ～10  s 宽应变率耦合工况的覆盖，难以匹配核电站实际服役中的复杂载荷环
                                           −1
                                    −3
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               境；其次，关于该材料在高应变率与高温耦合条件下                       J-C  模型的系统标定与验证研究较为匮乏，尤其缺乏
               对绝热温升效应、应力三轴度影响的深入分析。因此，开展                          Z2CN18.10  不锈钢在复杂工况下的动态力学
               行为研究，建立精准的          J-C  本构模型与失效准则，具有重要的工程实践与学术价值。
                                                                                    −1
                                                                                  3
                                                                            −3
                   本文系统开展核级不锈钢            Z2CN18.10  在准静态至动态（应变率          10 ～10  s ）、常温至     400 ℃  范围内
               的拉伸力学实验，结合不同应力三轴度的缺口试样实验，获取材料在不同工况下的应力-应变响应和失效
               应变数据。基于实验数据，标定              Z2CN18.10  的  Johnson-Cook  本构模型与失效准则参数，验证所建模型的
               有效性，为核级管道系统在冲击载荷下的安全设计与评估提供重要的模型基础与数据支持。

                1    实验材料及方法

                1.1    准静态拉伸实验
                   准静态拉伸试样的标距段为光滑圆棒，如图                    1  所示，重复实验     2  次，实验工况见表       1。通过控制电子


                                                                          The rest  Ra2.5
                             A                                                             B
                                                           Ø0.1 BA                   C1
                                                                  Ra0.8
                                         R3
                             M6×1                     Ø3                                    M6×1


                                      9                     20             2       9
                                                            42

                                               图 1    准静态拉伸试样（单位为     mm）
                                           Fig. 1    Quasi-static tensile specimen (unit in mm)


                                                         081001-2
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