SUS821L1低镍双相不锈钢的热粘弹性力学行为与断口分析：温度与应变率耦合效应研究

为解决双相不锈钢在极端环境下的力学性能预测难题，研究人员针对SUS821L1低镍双相不锈钢开展热-力耦合行为研究。通过准静态（0.0167 s-1）和动态（350 s-1）拉伸测试结合分体式霍普金森杆（SHTB）技术，揭示了应变诱导马氏体相变（SIMT）对流动应力的温度敏感性差异，并建立改进的Johnson-Cook模型。该研究为深海管道等低温高应变率应用场景提供关键数据支撑，发表于《Results in Engineering》。

　　

在深海能源开发、极地装备等极端环境应用中，材料需要同时承受低温（低至233K）和高应变率（>100 s^-1）的复合载荷。传统奥氏体不锈钢（如SUS304）虽具有良好韧性，但高镍含量导致成本激增；而低镍双相不锈钢（LDX）虽能降低成本，其应变诱导马氏体相变（Strain-Induced Martensitic Transformation, SIMT）与温度、应变率的耦合机制尚不明确。特别是在动态加载条件下，绝热加热（Adiabatic Heating）可能抑制SIMT，进而影响材料在冲击载荷下的能量吸收能力（Specific Energy Absorption, SEA）。这些科学盲区严重制约了LDX在柔性立管、海底管汇等关键场景的工程应用。

为破解这一难题，日本国立富山大学的研究团队选取典型LDX材料SUS821L1（含Ni 0.216wt.%），通过创新设计的垂直分体式霍普金森拉伸杆（Split-Hopkinson Tensile Bar, SHTB）结合干冰冷却腔，首次实现233-293K温度范围内准静态（0.0167 s^-1）与动态（~350 s^-1）拉伸的对比测试。研究同步采用扫描电镜（SEM）定量分析断口形貌，并开发改进型Johnson-Cook本构模型。相关成果发表于《Results in Engineering》。

关键技术方法包括：1）配备低温腔的SHTB系统，通过环氧树脂粘接解决薄板试样（1.2mm厚）的动态测试难题；2）半导体应变片以70MHz采样频率捕捉应力波传播；3）ImageJ软件量化韧窝尺寸与密度；4）耦合应变率-温度效应的多项式修正Johnson-Cook模型。

3.1 准静态与动态拉伸性能
在准静态条件下，273K时出现峰值延伸率（28.5%），对应应力-应变曲线呈现显著二次硬化（Secondary Work Hardening），这是SIMT激活的特征现象。动态加载时，绝热加热使流动应力增幅降低40%，且无二次硬化现象，证实高温稳定了奥氏体相。

3.2 应变率与温度敏感性
准静态的应变率敏感性指数m在273K达到峰值0.0128，而动态条件下m值随温度降低骤降63%。温度敏感性n在动态273K时出现拐点，这与绝热加热导致的"热软化-相变抑制"竞争机制直接相关。

3.3 比能量吸收
动态SEA在应变0.2前高于准静态（+15%），但最终吸收能量降低52%。273K的准静态SEA达350MJ/m³，证实该温度是力学性能最佳窗口。

3.4 断口形貌分析
准静态断口呈现温度依赖性演变：293K以大韧窝为主（平均尺寸8.2μm），273K出现混合韧窝（5.3μm+1.7μm），233K则转为细密韧窝（1.1μm）。动态断口普遍存在锯齿状平台，韧窝密度与延伸率呈负相关（R²=0.89）。

3.5-3.6 本构模型
原始Johnson-Cook模型在动态273K预测误差达22%，而引入应变率-温度耦合项的改进模型将误差控制在8%以内。关键改进在于采用多项式函数描述A_i、B_i、n_i参数，例如B₃=1224.04反映了应变率与温度的协同效应。

这项研究系统揭示了SUS821L1在极端环境下的变形机制：准静态时SIMT主导强化效应，而动态加载中绝热加热抑制相变，导致独特的"高初始SEA-快速断裂"行为。改进的本构模型为LDX构件在北极管道、深海脐带缆等场景的仿真设计提供可靠工具。未来通过EBSD（电子背散射衍射）直接表征相变比例，可进一步优化模型精度。该成果不仅填补了低镍双相钢动态性能数据库的空白，更为开发"耐寒高韧"新型不锈钢指明方向。