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。
綜合實驗結果表明，降低拉伸時的應變速率，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。
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—解理形貌轉變，材料斷裂以脆性斷裂為主，材料脆性增加。
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