超超临界汽轮机、航空发动机等高端装备的关键部件,如转子、叶片、缸套等,其强度设计和寿命分析需考虑高温和循环载荷的影响。在结构不连续等部位,往往经受应力或应变控制的不同载荷模式的疲劳损伤,因此理解和弄清加载模式对高温低周疲劳行为的影响,科学描述循环条件下的应力、应变函数关系,对于合理设计结构强度和预测结构寿命具有重要的工程价值和理论意义。本文以新型超超临界汽轮机转子钢X12CrMoWVNbN10.1-1为对象,进行了600℃下应力和应变不同控制模式下的低周疲劳试验,研究了其在不同控制模式下的循环行为,分析了不同控制模式下的微观变形机制差异和规律,建立了应变控制模式下的循环塑性本构方程。主要研究内容和结论如下：(1)对称循环条件下应力和应变控制模式对9-12%Cr钢低周疲劳行为的影响。进行了新型超超临界汽轮机转子钢X12CrMoWVNbN10-1-1在600℃和载荷比R=-1条件下的应力和应变控制低周疲劳试验,分析了控制模式对循环变形响应和疲劳寿命的影响,采用TEM微观观察手段,分析研究了不同加载模式下的微观损伤机制。结果表明：两种载荷模式下的试验循环应力应变曲线均可以分成宏观塑性区和微塑性区两个部分。在微塑性区,应力和应变加载模式下X12CrMoWVNbN 10-1-1钢的循环响应差别不明显；而在宏观塑性区,应力控制疲劳产生了显著的循环软化和拉压不对称行为,导致了较短的疲劳寿命和显著的疲劳损伤；应力控制模式下的快速的循环软化源于亚晶界面的崩塌,并导致了位错重分布,而应变控制模式则是由于板条马氏体的亚晶化。对称应力控制条件下产生的附加棘轮应变显著削弱了疲劳寿命,基于这一机制,我们建立了修正的Manson-Coffin寿命预测方程,对两种加载模式下的疲劳寿命预测均与实验结果吻合较好。(2)9-12%Cr钢在应变疲劳过程中的平均应力松弛行为和损伤机理研究。进行了600℃下9-12%Cr钢的不对称的应变疲劳试验,研究了不同应变幅下的平均应力松弛规律。采用内应力划分方法和TEM微观分析手段,研究分析了平均应力松弛及其与循环软化的交互作用,提出了一个新的背应力参量Xmiddle,较好阐明了不同应变幅循环变形响应的微观物理机制。结果表明：应变疲劳中的平均应力松弛是不同尺度背应力共同作用的结果；在宏观塑性区(高应变幅),平均应力的快速松弛和显著的循环软化与晶内背应力Xintra的快速降低相关；而在微塑性区(低应变幅),缓慢的循环软化依赖于有效应力的降低。载荷循环过程中的微观马氏体板条不均匀粗化产生的中间背应力Xmiddle抑制了平均应力的松弛,以此为基础,我们构建了9-12%Cr马氏体钢内应力分析的新模型,较好描述了不同应变幅下的平均应力松弛机制。(3)9-12%Cr钢的静态应力松弛和循环应力松弛试验研究。进行了600℃下9-12%Cr钢在不同初始应力下的静态应力松弛试验和不同最大应变下的平均应力循环松弛试验,系统研究了不同峰值应变和卸载幅值条件下循环载荷对松弛行为的影响,采用TEM微观分析手段研究了循环松弛行为的物理机制。结果表明：循环应力松弛速率随最大应变幅的增加而增加。不同卸载幅值的循环载荷表现为促进或者抑制松弛行为：卸载幅值在微塑性区,初始阶段短暂硬化之后,材料发生缓慢循环软化,马氏体板条局部粗化,相对于静态松弛,表现为循环松弛加速；而卸载幅值在准弹性区,循环过程以缓慢硬化为主,单向塑性变形引起位错钉扎,表现为循环松弛减速。循环载荷对松弛速率的影响是循环塑性和单向塑性累积共同作用的结果。(4)应变疲劳条件下9-12%Cr钢的循环粘塑性本构方程研究。基于600℃下9-12%Cr钢的对称和非对称应变疲劳试验结果,分析了平均应力松弛和软化行为演化规律,发现现有基于A-F随动硬化的改进模型,由于未能反映循环软化和平均应力松弛存在应变幅相关的竞争机制,因此均不能较好描述平均应力的松弛行为。我们通过在Abdel-Karim-Ohno随动硬化模型中引入平均应力松弛因子,建立了新的循环粘塑性本构模型,由于综合考虑了最大塑性应变与累积塑性应变的影响,所建立的新模型可以合理预测9-12%Cr钢应变幅相关的循环软化和平均应力松弛行为。