分享：溫度與氫氣壓力對純氫環(huán)境中X80鋼斷裂行為的影響

0.   引言

氫氣輸送是氫能利用中的重要環(huán)節(jié)。但是，由于氫原子的存在會使鋼材發(fā)生脆化，在使用管道輸送氫氣或含氫介質時，管道用鋼的塑性和疲勞強度會降低，甚至發(fā)生氫脆開裂，造成重大安全事故[1-2]。 

影響管道用鋼氫脆敏感性的因素很多，包括冶金因素和環(huán)境因素。對于混合氫氣天然氣管道，溫度和氫氣壓力等運行工況對氫氣與管道用鋼之間的相互作用有顯著影響[3-5]。MENG等[6]研究發(fā)現，X80管線鋼在天然氣/氫氣混合物中易受氫誘導脆化，在總壓力12 MPa條件下，隨著氫分壓增加，氫脆指數增大，疲勞裂紋擴展明顯加速。AMARO等[7]研究發(fā)現，相比空氣環(huán)境下，13.8 MPa高壓氫氣環(huán)境下X52鋼和X100鋼的斷后伸長率均明顯減小，韌性損失顯著。ZHOU等[8]研究發(fā)現，在氫混天然氣環(huán)境下，高氫分壓會降低X80管線鋼的力學性能。溫度對氫脆的影響機制復雜，通常升高溫度會促進鋼表面氫原子的生成和擴散，從而加劇氫脆效應[9]，但同時溫度的升高又會提高鋼的斷裂韌性。目前，普遍認為氫脆可以在一個寬泛的溫度范圍內發(fā)生，并且外部環(huán)境溫度對于氫與材料表面的反應、氫的溶解度以及氫的擴散至關重要[10]。XING等[11]研究發(fā)現，在10，20 mA·cm−1電流密度下，X70鋼發(fā)生氫脆的溫度閾值分別為293，283 K，而當電流密度達到30 mA·cm−1時，未觀察到明顯的氫脆臨界溫度。WU等[12]研究發(fā)現，充氫后2205雙相不銹鋼的氫脆敏感性和氫脆層厚度均隨溫度的升高而減小。MOMOTANI等[13]研究發(fā)現，隨著溫度在0~100 ℃內降低，低碳馬氏體鋼的氫脆敏感性增加，而隨著溫度進一步下降至0 ℃以下，鋼的氫脆敏感性反而減小。ZHANG等[14]研究發(fā)現，SUY、S15C、S35C碳鋼的氫脆效應隨著溫度的降低先增強，在200 K左右達到最大，隨后迅速下降。LI等[15]研究發(fā)現，隨著溫度的升高，鋼中氫擴散速率和次表面氫濃度有所增加。 

目前，研究多集中于鋼材在液相環(huán)境下的氫脆性能，關于氣相環(huán)境下溫度對管線鋼尤其是高鋼級管線鋼氫脆行為影響的研究較少，不同鋼材在應用于氫氣輸送時的安全輸送溫度還需進一步確定[16]，并且氫氣壓力對管道用鋼氫脆敏感性的影響規(guī)律以及發(fā)生氫脆的臨界壓力閾值尚不明確。X80鋼具有較高的強度和較低的成本，被廣泛用于油氣輸送管道[17]。作者對X80鋼進行了不同氫氣壓力、溫度下的純氫環(huán)境慢應變速率拉伸試驗，研究了氫氣壓力和溫度對X80鋼拉伸性能和氫脆敏感性的影響，結合斷口形貌分析了影響機制，以期為輸送氫氣或含氫介質管道在不同工作溫度下的安全性評估提供寶貴的試驗數據，為管道的氫脆評估提供理論支撐。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料取自規(guī)格?1 219 mm×22 mm的國產X80鋼直縫管，主要化學成分（質量分數/%）為0.053C，0.14Si，1.65Mn，0.000 4S，0.009P，0.23Cr，0.11Mo，0.117Ni，0.034Al，0.012Cu，0.016Ti，0.044Nb，0.007V，符合API SPEC 5L—2018《管線鋼管規(guī)范》要求。采用線切割在直縫管上切取尺寸為10 mm×15 mm×20 mm的試樣，經粗磨、精磨和拋光后，使用體積分數3%~4%硝酸乙醇溶液腐蝕，用吹風機吹干，采用Imager. M1m型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖1可見：X80鋼組織較均勻，主要由針狀鐵素體（AF）和粒狀貝氏體（GB）組成。針狀鐵素體具有較高的韌性，能夠有效抑制裂紋擴展，使X80鋼具有較好的抗氫脆性能[16]。 

圖  1  X80鋼的顯微組織

Figure  1.  Microstructure of X80 steel

根據GB/T 34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng) 第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法》，沿X80鋼管軸向取樣，制取如圖2所示的拉伸試樣，采用JD350型表面粗糙度儀測得試樣外表面和內表面的表面粗糙度均為0.8 μm，采用WDML-100型慢應變速率腐蝕試驗機進行慢應變速率拉伸試驗。用真空泵排除試驗箱內部的空氣，使用氮氣置換試驗箱及供氫管路系統(tǒng)中的氣體，再用真空泵將氮氣抽出，重復3次，確保試驗箱中氧氣、水蒸氣等雜質氣體排放干凈后充入高純（純度99.999%）氫氣，氫氣壓力分別為2.5，6.0，10.0 MPa；將試樣在不同壓力高純氫氣環(huán)境中靜置24 h后進行慢應變速率拉伸試驗，拉伸速度為0.01 mm·min−1，保壓時間為30 min，試驗溫度分別為−2，23，48 ℃，做3次平行試驗。在純度99.999%的氮氣環(huán)境中進行慢應變速率拉伸試驗，以便計算氫脆指數[18-19]以量化氫脆敏感性。氫脆指數計算公式如下： 

式中：IHE為氫脆指數；A0為氮氣環(huán)境中測得的斷后伸長率；AH為氫氣環(huán)境中測得的斷后伸長率。 

圖  2  拉伸試樣尺寸

Figure  2.  Size of tensile sample

采用Imager. M1m型光學顯微鏡和JSM 6360LV型掃描電鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。 

2.   試驗結果與討論

2.1   拉伸性能

由圖3可見：同一溫度不同氫氣壓力下，X80鋼彈性階段的應力-應變曲線高度重合，說明氫對彈性變形的影響并不顯著；進入塑性變形階段后，氫的影響逐漸凸顯，當氫氣壓力為2.5 MPa時，X80鋼能承受較大應變，應力達到峰值后下降相對平緩，當氫氣壓力增加至6.0，10.0 MPa時，X80鋼的應力達到峰值后快速減小，這說明在較高氫氣壓力下，X80鋼更易發(fā)生塑性變形與斷裂，塑性降低。 

圖  3  在不同溫度和氫氣壓力下拉伸時X80鋼的應力-應變曲線

Figure  3.  Stress-strain curves of X80 steel during tension under different temperatures and H2 pressures

由圖4可見：隨著氫氣壓力增加，X80鋼的抗拉強度和斷后伸長率均減小，斷后伸長率減小程度更大。隨著溫度升高，X80鋼的抗拉強度和斷后伸長率均先減小后增大，當溫度為23 ℃時，斷后伸長率最小。從微觀角度分析，溫度變化會影響氫在鋼中的擴散速率和存在狀態(tài)，進而影響鋼的微觀結構和力學性能[20]：當溫度為−2 ℃時，氫在鋼中的活性降低，氫原子的滲透和擴散受到抑制，難以富集[18]；當溫度升高到23 ℃時，氫原子熱運動加劇，位錯運動更容易，鋼的塑性變形能力增強，但原子間結合力減弱，導致抗拉強度反而減?。划敎囟冗M一步升至48 ℃時，氫原子的活化能和擴散速率較高，氫原子難以在位錯、晶界等處富集，一定程度上緩解了對鋼塑性的不利影響，而且，此溫度下鋼表面生成的氧化膜也能抑制氫脆行為[21-23]。 

圖  4  不同溫度和氫氣壓力下X80鋼的抗拉強度和斷后伸長率

Figure  4.  Tensile strength (a) and percentage elongation after fracture (b) of X80 steel under different temperatures and H2 pressures

2.2   氫脆敏感性

氫脆指數越高，鋼的氫脆敏感性越高。由圖5可見：隨著氫氣壓力增加，X80鋼的氫脆指數增大且增大程度增加，氫脆敏感性增大。高壓力會促使氫在X80鋼中的快速擴散和聚集，尤其是在缺口前端塑性變形區(qū)局部聚集[18]，導致氫脆裂紋更容易萌生和擴展，氫脆敏感性增強。 

圖  5  不同溫度和氫氣壓力下X80鋼的氫脆指數

Figure  5.  Hydrogen embrittlement indexes of X80 steel under different temperatures and H2 pressures

隨著溫度升高，X80鋼的氫脆指數先增大后減小，氫脆敏感性先增大后減小，當溫度為23 ℃時，氫脆指數最大，氫脆敏感性最強。這是因為低溫下氫原子擴散慢，位錯運動受限，氫脆敏感性低；隨著溫度初步提高，氫原子擴散加快，與位錯交互作用增強，易形成氫-位錯氣團導致位錯塞積，促進裂紋萌生和擴展，增強氫脆敏感性；當溫度超過23 ℃后，氫原子易逸出導致有效氫濃度降低，且較高溫度下鋼塑性變形能力的增強可緩解應力集中，抑制裂紋擴展，因此氫脆敏感性降低[21-24]。 

2.3   拉伸斷口形貌

由圖6可見：在溫度48 ℃、氣體壓力10 MPa條件下，拉伸斷裂處可以清楚觀察到環(huán)向裂紋，這說明氫氣的存在會增加鋼的脆性，促進缺口處裂紋的萌生和擴展。 

圖  6  在氫氣氣氛中拉伸斷裂后X80鋼試樣宏觀形貌(溫度48 ℃，氣體壓力10 MPa)

Figure  6.  Macromorphology after tensile fracture of X80 steel sample in H2 atmospheres (temperature at 48 ℃, gas pressure of 10 MPa)

由圖7可見：不同溫度、氫氣壓力下，氫氣環(huán)境中裂紋均直接在缺口或缺口附近產生，纖維區(qū)沿圓周分布，裂紋從拉伸斷口表面向內部擴展，表現出明顯的氫致損傷特征[25]，說明此處為與氫氣直接接觸并且加速聚集的位置。當溫度一定時，在2.5 MPa氫氣壓力下，斷口上分布有眾多微孔；隨著壓力增至10.0 MPa，斷口邊緣外層表面產生次生裂紋，這可能是因為增加壓力會促進氫滲入鋼并集中在晶界交匯處或內部固有缺陷處，這加速了微小裂紋的萌生與擴展，進而導致斷裂[26]。當氫氣壓力一定時，在−2 ℃溫度下，拉伸斷口凹凸不平，存在明顯剪切唇；隨著溫度升至23 ℃，裂紋從缺口根部應力集中處萌生并快速擴展；當溫度升至48 ℃時，斷口裂紋萌生位置相對分散，不存在典型應力集中，這是因為進一步升高溫度雖然加速了氫擴散但降低了氫在晶界的偏聚，從而降低了氫脆敏感性。 

圖  7  不同溫度和氫氣壓力下X80鋼試樣拉伸斷口宏觀形貌

Figure  7.  Tensile fracture front morphology of X80 steel sample under different temperature and H2 pressure

由圖8可見：隨著氫氣壓力增加，脆性區(qū)的面積增大且二次裂紋數量增多，說明材料的脆性增加。不同溫度下，裂紋均在斷面邊緣萌生，隨后擴展并斷裂；當溫度為−2 ℃時，氫致裂紋傾向于沿著晶粒內部（即穿晶）發(fā)展，同時在韌窩周圍出現較小且平滑的過渡區(qū)域，呈現出準解理特征，為典型的脆性斷裂特征；隨著溫度升高至23 ℃，裂紋擴展速率加快，二次裂紋數量增多，氫脆敏感性增大；隨著溫度進一步升高到48 ℃，斷裂由脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂模式，裂紋擴展速率減緩[27]，部分韌窩變深。 

圖  8  不同溫度和氫氣壓力下X80鋼拉伸斷口SEM形貌

Figure  8.  SEM morphology of tensile fracture of X80 steel under different temperatures and H2 pressures (a, d, g, j, m) overall; (b, e, h, k, n) position A and (c, f, i, l, o) position B

3.   結論

（1）隨著氫氣壓力增加，X80鋼的抗拉強度和斷后伸長率均減小，氫脆敏感性增大；隨著溫度升高，抗拉強度和斷后伸長率均先減小后增大，氫脆敏感性先增大后減小。 

（2）增大氫氣壓力會促進氫原子滲入鋼內部并在晶界交匯處或內部固有缺陷處聚集，這加速了微小裂紋的萌生與擴展，進而導致斷裂；升高溫度會加速氫擴散，但降低氫在晶界處偏聚，拉伸斷裂由脆性斷裂轉變?yōu)轫g性斷裂。

文章來源——材料與測試網