石油、天然氣輸送管線在服役過程中，因為陰極保護，環(huán)境中的氫不可避免的進入到管線材料內(nèi)部，產(chǎn)生氫脆，導致材料性能指標的降低，使材料的性能退化，是引起管線斷裂的重要根源。當進入試樣的氫濃度很高時就會產(chǎn)生氫鼓泡或氫致微裂紋，一旦出現(xiàn)這種不可逆氫損傷，材料的韌性和塑性就會大大降低。而且固溶在材料中的氫在承載情況下會在局部富集，造成可逆氫脆，也會導致材料的力學性能下降。所以，本文通過動態(tài)拉伸試樣研究X80管線鋼不同充氫密度下拉伸性能的變化規(guī)律。
試驗方法
實驗材料為X80高強度管線鋼，化學成分為(mass%)C 0.038%，Si 0.31%，Mn 1.82%，P 0.006%，S 0.0025%，Mo 0.28%。材料的力學性能經(jīng)檢測，屈服強度σs=625MPa，抗拉強度σb=690MPa，斷后延伸率δ=48%。拉伸試樣沿管材的T-L取向取樣，按照GB/T228-2002將材料加工成圓柱形拉伸試樣，其標距長度為50mm，直徑5mm。
電化學充氫在PS-168型恒電位儀上進行，鉑電極為陽極，電解液為0.5mol/L的H2SO4溶液。充氫電流密度分別為1mA/cm2，2mA /cm2，5mA/cm2，10mA/cm2，25mA/cm2，50mA/cm2。將試樣分為兩組：一組試樣應(yīng)變速率保持5×10-3mm/min不變，充氫電流密度為1~50mA/cm2;另一組試樣充氫電流密度10mA/cm2，應(yīng)變速率分別為5×10-2mm/min、5×10-3mm /min、5×10-4mm/min。兩組試樣均拉伸至斷裂，以獲得試樣在不同充氫電流密度和應(yīng)變速率條件下的載荷-位移(P-V)曲線，全部實驗在室溫條件下進行。
不同充氫
條件下的狀態(tài)變化
加載速率對試樣力學性能的影響 試驗中選取充氫電流密度為10mA/cm2，分別在應(yīng)變速率5×10-2mm/min、5×10-3mm/min、5×10-4mm/min條件下，獲得了管線鋼在不同應(yīng)變速率條件下失效的臨界力學性能及拉伸性能指標。
由圖1可見，加載速率每降低一個數(shù)量級，材料斷裂強度的下降趨勢更加劇烈，加載速率降至5×10-4 mm/min，材料塑性降低88.84%，說明X80管線鋼在氫環(huán)境中，對外加載荷的加載速率非常敏感。在動態(tài)充氫條件下，降低加載速率，試樣的斷裂強度劇烈降低。
降低動態(tài)充氫條件下拉伸的加載速率，X80管線鋼的斷后伸長率和斷面收縮率均降低，作為塑性的主要指標斷面收縮率降低更加明顯，見圖2。
綜合實驗結(jié)果表明，降低拉伸時的應(yīng)變速率，材料的強度和塑性都降低，X80管線鋼氫脆敏感性提高。
氫濃度對試樣斷裂強度的影響 由圖4可見，當充氫電流密度低于10mA/cm2時，材料斷裂強度的值下降較快，充氫電流密度增大到10mA/cm2時，試樣真實斷裂強度由 1165.1MPa下降到785.2MPa，較未充氫試樣斷裂強度降低了379.9 MPa，當充氫電流密度在10~50 mA/cm2之間，試樣斷裂強度下降的趨勢變緩，充氫電流密度由10 mA/cm2增至50mA/cm2，斷裂強度僅降低了33.3MPa。說明X80管線鋼動態(tài)充氫條件下發(fā)生斷裂，主要對氫的存在非常敏感，但當材料中氫濃度達到一定值后，斷裂強度對材料中氫濃度的變化敏感程度逐漸降低(見圖3)。
由圖4可見，塑性判據(jù)的主要指標斷面收縮率下降尤其劇烈，充氫電流密度增至50mA/cm2，材料的塑性降低79%，即說明材料充氫后的塑性強烈降低，氫的存在使材料變脆。
動態(tài)充氫條件后斷口形貌分析 動態(tài)充氫條件下，X80管線鋼拉伸至斷裂的試樣斷口微觀形貌見圖5，隨著充氫電流密度的增加，逐漸以韌窩形貌向準解理—解理形貌轉(zhuǎn)變，韌窩尺寸變小變淺，斷口以準解理和解理形貌為主，說明X80管線鋼吸收氫的量提高，導致材料脆性增加。
通過分析得知，動態(tài)充氫條件下，降低加載速率，X80管線鋼的強度和塑性均降低;加載速率降至5×10-4 mm/min，材料塑性降低88.84%;動態(tài)充氫條件下，增大充氫電流密度，X80管線鋼的強度和塑性均降低;X80管線鋼隨動態(tài)充氫電流增大，斷口以韌窩形貌向準解理—解理形貌轉(zhuǎn)變，材料斷裂以脆性斷裂為主，材料脆性增加。
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