Page 109 - 机械工程材料2025年第三期
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牛化昶，等：不同含氢环境下X80管线钢的慢应变速率拉伸性能
后，对气体环境试验箱进行密封并用真空泵抽真空， 在无氢环境、2%氢环境、5%氢环境下母材轴向
随后用氮气反复吹扫3次； 在气体环境试验箱中充入 试样的断后伸长率分别为25.01%，24.85%，23.77%，
目标气体，使用高纯氮气将总压力补至12 MPa，进 断面收缩率分别为 63.68%，62.77%，62.45%。可
行慢应变速率拉伸试验，应变速率为1×10 −5 s −1 ， 见，随着环境中H 2 含量的增加，母材轴向试样的塑
试验温度为（20±5）℃。目标气体包括氢气和CO 2 ， 性降低。在5%氢环境中断后伸长率更小， 可能是因
气体组成（体积分数）分别为2% H 2 +2% CO 2 +N 2 、 为在氢分压更高的环境中CO 2 对表层氢原子扩散激
5% H 2 +2% CO 2 +N 2 以及100% N 2 ，分别记为2% 活能的降低效果更加显著 ［15］ 。随着环境中H 2 含量
氢环境、5%氢环境、无氢环境。相同环境下测3次 的升高，母材轴向试样的断面收缩率降低幅度变小。
取平均值。材料氢脆敏感性用氢脆指数表征，氢脆 由图3可以看出：在不同环境中慢应变速率拉
指数越大，氢脆敏感性越大。氢脆指数计算公式 ［13-14］ 伸过程中，母材周向试样均先经过弹性阶段，在到
如下： 达相同屈服点后进入塑性变形阶段；在塑性变形阶
段，应力先缓慢增加，达到峰值后逐渐降低，直至试
（1）
样断裂。不同环境中母材周向试样的抗拉强度约为
I
式中： 为氢脆指数；A 为在无氢环境中的断面收缩 670.3 MPa，略高于母材轴向试样，此时对应的真应
A
0
率； A H 为在氢环境中的断面收缩率。 变为12%左右。在不同含氢环境中母材周向试样的
抗拉强度相似。
图 1 慢应变速率拉伸试样的尺寸
Fig. 1 Size of slow strain rate tensile specimen
2 试验结果与讨论
2.1 母材的慢应变速率拉伸性能
图 3 不同环境下母材周向试样的真应力-真应变曲线
由图2可以看出：在不同环境中慢应变速率拉 Fig. 3 True stress-true strain curves of base metal circumferential
伸过程中，母材轴向试样均先经过弹性阶段，然后 specimen in different environments
到达屈服点，不同环境下的屈服点几乎相同，之后 在无氢环境、2%氢环境、5%氢环境下母材周向
进入塑性变形阶段；在塑性变形阶段，应力均先缓 试样的断后伸长率分别为24.15%，22.48%，21.44%，
慢增加，达到峰值应力后逐渐降低，直至试样断裂。
断面收缩率分别为 59.66%，58.04%，54.92%。可
不同环境中母材轴向试样的抗拉强度相近，均约为 见，随着环境中H 2 含量的增加，母材周向试样的塑
650 MPa，对应真应变为15%左右。可知，在不同含 性降低。
氢环境中母材轴向试样的抗拉强度相似。 由上可得，与无氢环境相比，2%氢环境，5%氢
环境下母材轴向试样的断后伸长率分别降低约1%
和5%，母材周向试样的断后伸长率分别降低约7%
和11%。对比发现，在含氢环境中母材周向的塑性
劣化程度更明显。在含氢环境下金属材料的性能劣
化程度与进入材料内部的氢含量呈正相关，尤其是
当内部存在缺陷或可吸附大量不可扩散氢的氢陷阱
时，劣化程度更为显著 ［16］ ，由此推测母材周向的内
部缺陷更多。虽然周向试样按照标准加工制作，但
图 2 不同环境下母材轴向试样的真应力-真应变曲线
Fig. 2 True stress-true strain curves of base metal axial specimen in 取样位置有可能处于局部塑性缺失机制的影响范
different environments 围 ［17］ ，进而导致在含氢环境中相较于轴向试样其性
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