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X80管线钢氢致断裂断口分析
张涛，李著信，苏毅，陈居术，林梅
(中国人民解放军后勤工程学院军事供油工程系，重庆400016)
摘 要：用光学显微镜和扫描电镜观察了不同充氢电流下恒载荷拉伸试样、慢应变速率拉伸试样的显微组织和断口形貌。结果表明:随氢浓度增加、应力减小或应变速率降低，试样断口逐渐从韧性断口向脆性断口过渡;氢致开裂微裂纹通常在杂质处形成并呈不连续扩展，形成穿晶断裂。
关键词：管线钢;氢致开裂;显微组织
1 引 言
X80管线钢是国外正在使用的高强度管线钢[1]，我国目前广泛使用的管线钢强度小于X80管线钢的强度。随着管线口径以及输气压力的增大，必然需要开发更高强度级别的管线钢(如X80)。由于管线钢在使用中会和硫化氢(H2S)接触，因而抗硫化氢应力腐蚀性能就成为管线钢的重要指标。管线钢硫化氢应力腐蚀的本质是一种氢致开裂(HIC)，它和氢降低原子键合力以及促进局部塑性变形有关[2]。文献[3]采用在0.5mol/LH2SO4+0.25g/LAs2O3(简称HA)溶液中充氢的方法，测定了四种高强度油井管钢氢致开裂门槛值，并与在硫化氢环境中测定的结果进行比较，认为可以采用在特定电流下的动态充氢来模拟湿硫化氢环境。研究表明[4]，X80管线钢在HA溶液中充氢时，试样中氢浓度与充氢电流的方根呈线性关系;无裂纹试样恒载荷拉伸试验表明，X80管线钢氢致断裂门槛应力随氢浓度对数升高而线性下降;慢应变速率拉伸试验表明，氢浓度、应变速率对氢致断裂强度也有明显的影响[4]。作者的目的是研究X80管线钢氢致开裂断口的形貌特征，以及探讨氢致断裂的断口形貌与氢浓度、应变速率和应力大小之间的关系。
2 试样制备和试验方法
X80管线钢的化学成分(质量分数，%)为0.035C，1.74Mn，0.305Si，0.245Cu，0.111Ni，0.010P以及0.005S，其屈服强度σs和抗拉强度σb分别为560MPa和675MPa。恒载荷拉伸和慢应变速率试验用光滑拉伸试样，均从X80成品钢管上经线切割获得。试样截面为1.5mm×3mm，标距长度为40mm。在室温条件下，一组试样加不同的恒载荷σ(小于抗拉强度)后，在HA溶液中充氢，其电流密度分别为2、4、6、10、15和20mA/cm2，直至试样断裂。另一组试样在上述充氢电流密度条件下进行慢拉伸试验直至试样断裂，断裂试样在丙酮溶液中超声波清洗后用CambridgeS2502MK2型扫描电镜(SEM)进行观察，部分试样经4%硝酸酒精浸蚀后用XJZ21型光学显微镜进行观察。
3 试验结果与分析
3.1 显微组织分析
图1为X80成品管线(未充氢)钢的显微组织，由细小的铁素体2贝氏体组成。当试样在HA溶液中进行充氢拉伸后，其断口附近可见微裂纹呈不连续分布(图2)，裂纹走向与拉伸试样轴向垂直，随着氢浓度的增加，裂纹数量也增加，最终形成穿晶断裂。试样中氢致开裂往往与夹杂物有关(图2b中A、B、C、D、E、F处)。
图1 X80管线钢显微组织
(a) 充氢拉伸后微裂纹
(b) 微裂纹与杂质关系
图2 恒载荷拉伸时氢致裂纹的形成与扩展
3.2 SEM分析
X80管线钢在空气中拉伸断口为韧性断口(图3)。而图4可见充氢试样在恒载荷拉伸的断口形貌取决于所加的恒应力大小以及氢浓度。当应力(σ)较大而氢浓度(C0)较低时，以韧性断口为主，只有少部分区域为脆性断口(图4a，σF为断裂应力)。断口中脆性断裂区域与韧性断裂区域的比率，随σ减小和C0增加而上升(图4b、c)。当σ较低和C0较高时，全部为脆性断口，并且出现二次裂纹(图4d)。慢应变速率拉伸试验中，充氢试样的断口形貌取决于氢浓度(C0)和应变速率(Ûε)(图5)。随Ûε降低和C0增高，断口中脆性断裂区域与韧性断裂区域的比率逐渐增大。
图3 在空气中拉伸的断口形貌
(a) σ/σF=0.90，C0=2.52mg/kg
(b) σ/σF=0.84，C0=5.81mg/kg
(c) σ/σF=0.68，C0=5.81mg/kg
(d) σ/σF=0.52，C0=13.7mg/kg
图4 充氢条件下恒载荷拉伸试样断口形貌
(a) Ûε=1.6×10-6s-1，C0=2.52mg/kg
(b) Ûε=1.6×10-6s-1，C0=5.81mg/kg
(c) Ûε=1.6×10-7s-1，C0=5.81mg/kg
(d) Ûε=1.6×10-6s-1，C0=11.87mg/kg
图5 充氢条件下慢应变速率拉伸的断口形貌
4 结 论
X80管线钢在0.5mol/LH2SO4+0.25g/LAs2O3溶液中充氢拉伸时，充氢电流、应变速率、应力大小对X80管线钢断口形貌有明显的影响。随试样中氢浓度增加、应力减小或应变速率降低，试样断口逐渐从韧性断口向脆性断口过渡;氢致开裂微裂纹通常在杂质处形成并呈不连续扩展，形成穿晶断裂。
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