微柱压缩测试与晶体塑性模型联用揭示P91钢滑移系活化机制及变形机理

为解决BCC结构钢材中滑移系活化机制的争议问题，研究人员通过整合微柱压缩实验与晶体塑性(CP)建模，系统研究了P91钢在{110}、{112}和{123}滑移系的临界分切应力(CRSS)，首次发现三类滑移系协同参与塑性变形，并揭示了亚表面微观结构对滑移轨迹分析的关键影响。该研究为马氏体钢微观结构优化提供了新见解。

　　

在能源领域，P91钢作为关键结构材料，其高温性能与微观变形机制密切相关。然而，关于这种体心立方(BCC)结构钢材中滑移系活化的争议长期存在——传统观点认为{110}滑移系主导变形，但近年研究指出{112}和{123}滑移系可能同步参与。更棘手的是，现有实验技术难以在微米尺度精准识别活跃滑移系，而亚表面晶粒取向等隐藏因素常被忽视，导致晶体塑性(CP)模型参数校准存在显著偏差。

为破解这些难题，国外研究团队创新性地将微柱压缩测试与CP建模相结合。他们通过聚焦离子束(FIB)加工制备了直径3-4μm的微柱试样，利用扫描电子显微镜(SEM)原位压缩系统，分别在位移控制(应变率2×10^-4 s^-1)和载荷控制模式下进行测试。结合电子背散射衍射(EBSD)获取的三维晶体取向数据，团队开发了多尺度分析流程：首先通过 Schmid因子筛选潜在滑移系，再通过MATLAB脚本重构圆柱模型验证滑移轨迹匹配度，最终采用包含热激活流动法则的CP本构模型进行数值模拟。

关键技术突破体现在三方面：(1)首创跨截面EBSD分析方法，首次系统揭示了亚表面晶粒对滑移轨迹的影响；(2)建立双模式(位移/载荷控制)测试协议，发现机器响应会显著改变应变硬化行为；(3)开发了可区分{110}、{112}和{123}滑移系的CP参数校准方法。

2.1 材料表征
研究采用含9%Cr-1%Mo的P91钢，EBSD分析显示其具有17μm的原始奥氏体晶粒和8.6μm的马氏体块结构。STEM观测发现M₂₃C₆和MX型析出相分布于板条边界，为后续变形机制分析提供了微观结构基础。

2.2 微柱压缩测试
通过四步环形铣削工艺制备的微柱具有2.5°-3.2°锥角，EBSD确认单晶取向后，分别设计激活{110}、{112}和{123}滑移系的17组微柱。关键发现包括：位移控制模式测得应变硬化率(5.11GPa)是载荷控制模式(2.04GPa)的2.5倍；{110}滑移系CRSS为157±21MPa，显著低于{112}滑移系的176MPa。

3.3 临界分切应力评估
通过Schmid因子反演计算发现：MPD1b微柱中(011)[11^-1]滑移系虽非最高Schmid因子(0.482)，却因位错源有限而被激活，证实了BCC结构中非Schmid行为的普遍性。多晶微柱MPD3c的CRSS偏差达41MPa，揭示晶界对局部应力场的调制作用。

3.4 晶体塑性模型校准
CP模型成功复现了单滑移微柱的变形形貌，但对多晶微柱的滑移轨迹预测存在局限。参数校准显示{110}滑移系的初始滑移阻力(S₀=65MPa)低于{112}系，而硬化系数h_s在{123}系高达500MPa，说明高阶滑移系需要更大驱动力。

4.1 滑移系活性分析
突破性发现是三类滑移系在室温下均被激活，其中12%案例偏离最高Schmid因子准则。MPL12b微柱的CP模拟表明，虽然{110}和{112}滑移系Schmid因子相近(0.497vs0.486)，但{110}系因更低CRSS优先启动，解开了文献中长期存在的活化序列争议。

这项研究的意义在于：(1)建立了亚表面EBSD分析与CP建模的协同框架，为多晶材料微柱测试树立新标准；(2)首次量化了P91钢三类滑移系的CRSS差异，修正了BCC金属塑性理论的认知；(3)揭示的机器依赖性材料响应机制，为微纳米力学测试规范制定提供了实验依据。这些发现不仅推动马氏体钢性能优化，其方法论更可拓展至其他BCC合金的变形机理研究。