背景简介

316H奥氏体不锈钢凭借优异的抗蠕变性能、耐腐蚀性能与高温长期稳定性，是核电先进气冷堆（Advanced Gas-Cooled Reactors , AGRs）、压水堆（Pressurised Water Reactors , PWRs）中锅炉管道、堆芯支撑件等高温承压核心部件的关键用材。其高温长时服役下的蠕变损伤演化是决定构件结构完整性与服役寿命的核心因素。准确预测蠕变变形与损伤萌生行为，是保障核电部件安全运行、延长服役寿命的核心科学前提。然而，目前主要基于宏观连续介质力学的唯象模型（如应力修正延性耗竭模型，SMDE）缺乏对微观结构的敏感度，难以将试验观察到的局部蠕变损伤与晶粒取向、形态等关键微观特征相关联。

本研究提出了一种结合高分辨率电子显微表征–晶体塑性有限元（Crystal Plasticity Finite Element , CPFE）建模–梯度提升决策树（XGBoost）分类算法的耦合研究框架。针对550 ℃服役工况下的316H不锈钢的蠕变损伤起裂问题，开发了CPFE模型，通过分类算法实现了CPFE状态变量与试验观测蠕变损伤结果的映射，提出了一种新型预测介观尺度晶界损伤萌生的物理判据。该模型在550 ℃与650 ℃工况下对晶界蠕变孔洞的预测准确率达67%，为核电高温部件的结构完整性评估与寿命延长提供了模型工具。

成果介绍

（1）研究设计了双钝缺口轴对称试样的高温蠕变试验，开发了蠕变损伤萌生阶段的高分辨率微观表征方法，获取了晶界蠕变孔洞的空间分布及其与微观组织的关联特征。针对316H不锈钢在550 ℃下开展了340 MPa/2037 h、366 MPa/907 h两组多轴蠕变试验。通过双缺口试样设计，在单缺口断裂后，从未断裂缺口处获取蠕变损伤萌生阶段的原始微观组织。此外，通过带窗口高温炉与原位光学成像系统并结合MATLAB开发的边缘轮廓检测算法，实现了缺口喉部非均匀变形的实时监测，计算出缺口喉部的真实净截面应力与轴向蠕变应变。同时，利用背散射电子（Back-Scattered Electron , BSE）成像识别晶界蠕变孔洞，并结合电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction , EBSD）表征了目标区域的晶粒结构与取向特征，构建了蠕变损伤与微观组织特征之间的对应数据集。

图1 （左）以缺口区域几何中心为原点的参考坐标系下，BN366与BN340试样中分析区域的位置；（右）基于BSE图像对晶界蠕变孔洞的识别

（2）研究开发了修正热回复项的CPFE模型并利用XGBoost算法将晶体塑性细观状态参量与试验观测到的晶界蠕变孔洞相关联，以此对蠕变损伤萌生的关键贡献参量进行排序，识别出塑性偏应变是316H不锈钢晶界蠕变损伤萌生的最核心主控因素（如图 2）。研究以BSE二值化标注的蠕变损伤数据为标签，以CPFE模拟输出的9项状态变量为特征，构建了蠕变损伤分类数据集，按8:2比例划分为训练集与测试集。针对损伤区域占比低的类别不平衡问题，通过手动划分的方式保证了模型可靠性。关联后的数据集通过XGBoost内置函数（xgboost.plot_importance）计算各特征的重要性得分，给出了用于预测晶界蠕变损伤萌生的CPFE状态变量重要性排序：在9个CPFE变量中，塑性偏应变被确定为损伤萌生的最重要特征（如图 3 a)）。研究还通过受试者工作特征（Receiver Operating Characteristic , ROC）曲线评估该模型性能，结果如图 3 b)所示。结果显示测试集ROC的曲线下面积（Area Under the Curve , AUC）达0.943，训练集AUC达0.999，表明该模型具备较强的损伤分类与预测能力。

图2 试验蠕变损伤与晶体塑性指标相关性分析示意图

图3 a)预测晶界蠕变损伤萌生时贡献度最高的特征；b) XGBoost的ROC曲线

（3）研究基于SHAP值算法构建了的蠕变损伤萌生判据，完成了多工况下的预测精度验证，实现了介观尺度晶界蠕变孔洞的预测。通过SHAP值算法拟合了塑性偏应变与损伤预测概率的非线性关系，结合经典形核理论引入加载方向正应力归一化项，最终构建了耦合塑性偏应变与加载方向正应力的蠕变损伤萌生判据D（如公式1），取判据计算值最大值的50%作为损伤萌生的判定边界。在550 ℃、净截面应力366 MPa、蠕变时长900 h工况下的缺口根部不同位置的预测结果显示（如图 4），新型判据在缺口4个位置中正确预测了3个位置的损伤萌生；在550 ℃、净截面应力340 MPa、蠕变时长2000 h工况下的模拟结果显示（如图 5），模型在5个位置中正确预测了3个位置的损伤萌生。虽然少数位置出现过预测（红圈标注），但模型均能正确识别发生损伤的晶粒，与试验观测一致，仅晶界位置存在偏差。综合9个独立分析位置的结果，新型蠕变损伤萌生判据对晶界细观蠕变损伤萌生的整体预测准确率达67%，验证了该方法的稳健性。此外，研究测量试验观测与模拟损伤中心的线性距离（如图 6），结果表明，除3个特例外，预测与实测损伤中心的线性距离≤20 μm，大晶粒内定位误差约10 μm，远小于损伤晶粒的平均尺寸。通过对650 ℃、160 MPa、6000 h的单轴蠕变试验数据的补充验证（如图 7）表明，模型在27个损伤点中精准预测了15个，准确率与550 ℃工况一致，证明了判据可推广应用于其他温度工况。

图4 在净截面恒定应力为366 MPa、时长900 h、温度550 ℃条件下，试验观测蠕变损伤与模型预测结果的对比

图5 在净截面恒定应力为340MPa、时间t=2000h、温度 550 ℃条件下，试验实测蠕变损伤与模型预测结果的对比

图6 所有BN366和BN340试样的模拟损伤中心与实测损伤中心间的平均直线距离随平均晶粒直径的变化关系。BN366-A指代图3中所示BN366材料的A区域

图7 a)用于650 ℃、160 MPa条件下蠕变模拟的完整重构三维微观组织；b) 650 ℃、160 MPa条件下经过 6000h蠕变试验后，316H的蠕变损伤萌生情况对比，对比对象为背散射电子图像与新型蠕变损伤萌生判据

（4）本研究进一步将CPFE模型与SMDE模型进行对比（如图 8）。对比结果表明，SMDE模型由于基于宏观蠕变试验参数构建，即使输入高精度的局域变形数据，也无法有效捕捉微观非均质性与晶粒尺度变形机制的影响，介观尺度损伤预测精度较低；而本研究提出的判据，将微观组织非均质性与局部变形机制的影响显式融入蠕变损伤萌生的预测之中，预测能力优于传统SMDE模型。

图8 试验、SMDE 模型与本文提出的蠕变损伤判据的蠕变损伤预测结果对比

致谢

作者感谢英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）通过合同号EP/V038079/1和EP/R020108/1对本项目提供的资助；感谢Royce研究所通过合同号EP/X527257/1提供的支持，以及Jorge De Andres博士进行的钝缺口试验；感谢英国皇家工程院通过研究教席提供的支持；感谢法国电力集团（EDF）为本研究提供的部分资金支持，并衷心感谢Marc Chevalier博士进行的宝贵讨论。本文第一作者和通讯作者：Farhan Ashraf (University of Bristol)。

本期小编：周子尧 （整理）

罗凌颖 （校对）

刘昊东 （审核）

董乃健 （发布）