Page 110 - 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
能的劣化程度更高。除此之外，X80钢轴向和周向 氢气体积分数越大，氢脆敏感性就越大。在相同含
截面的显微组织均以粒状贝氏体和针状铁素体为 氢环境下焊缝的氢脆敏感性最大，母材周向试样次
主，但轴向晶粒尺寸小于周向晶粒尺寸 ［18］ ，推测母 之，母材轴向试样最小。在含氢环境下，实际进入材
材周向可能由于较大的晶粒尺寸具有更多的氢捕获 料内部的氢含量不仅与显微组织有关，还与缺陷、夹
位点而引入更多的氢，从而导致周向的性能劣化程 杂物等的分布有关 ［19］ 。焊缝中由热机械工艺形成的
度更显著。 硬化相对氢损伤有着更高的敏感性 ［20］ 。不同于母材
2.2 焊缝的慢应变速率拉伸性能 组织中铁素体和珠光体的均匀分布，焊缝由于组织
由图4可以看出：在不同环境下拉伸过程中，焊 分布不均匀而存在许多缺陷，大量缺陷的存在使得
缝试样均先经过弹性阶段，达到相同屈服点后进入 焊缝在慢应变速率拉伸过程中不可避免地产生应力
塑性变形阶段；在塑性变形阶段，真应力先缓慢增 集中，加剧了高压含氢环境中氢的吸附和聚集 ［11，21］ ，
加，然后逐渐降低，直至试样断裂。焊缝试样的抗拉 进入焊缝中的氢含量增加，因此焊缝的力学性能劣
强度约为591.3 MPa，低于母材，此时对应的真应变 化最严重，氢脆敏感性最大。在CO 2 环境中应力-应
为7%左右。焊缝组织中的针状铁素体以及粗大铁 变区域会形成微裂纹和腐蚀坑，使材料的延展性降
素体的存在导致组织不均匀性增加 ［18］ ，因此焊缝的 低 ［22］ ，因此在含氢环境中CO 2 的存在导致焊缝力学
抗拉强度低于母材。在不同含氢环境中焊缝试样的 性能劣化程度更大。X80管线钢焊缝是混氢输送管
抗拉强度相似。 线的薄弱环节，其组织及缺陷调控以及工艺研究是
输氢管线材料研究中的重要关注点。
表1 不同含氢环境中母材与焊缝的氢脆指数
Table 1 Hydrogen embrittlement index of base metal and
weld in different hydrogen-containing environments
氢脆指数/%
材料
2%氢环境 5%氢环境
母材轴向 1.37 1.92
母材周向 2.70 7.93
图 4 不同环境下焊缝试样的真应力-真应变曲线 焊缝 11.39 14.76
Fig. 4 True stress-true strain curves of weld specimen in
different environments
3 结 论
比较母材和焊缝的拉伸真应力-真应变曲线可
（1）在2%和5%氢环境中X80管线钢母材和焊
以发现，母材在真应变接近15%时发生颈缩，而焊
缝则在真应变约为10%时发生颈缩，可见焊缝表现 缝的抗拉强度基本相似。与无氢环境相比，2%氢
出更早屈服的特征。 环境、5%氢环境下母材轴向试样的断后伸长率分别
在无氢环境、2%氢环境、5%氢环境下焊缝试 降低约1%和5%，母材周向试样分别降低约7%和
样的断后伸长率分别为19.10%，18.58%，17.61%， 11%，焊缝分别降低约7%和12%，焊缝的塑性劣化
断面收缩率分别为57.23%，50.74%，48.81%。可见， 程度大于母材，且5%氢环境中的塑性劣化程度更
随着环境中H 2 含量的增加，焊缝的塑性降低。与无 大。在相同含氢环境中母材周向试样的抗拉强度高
氢环境相比，2%氢环境、5%氢环境下焊缝试样的 于轴向试样，焊缝的抗拉强度最低，母材轴向试样的
断后伸长率分别降低约7%和12%，降幅高于母材 塑性最好，母材周向试样次之，焊缝最差。
试样，说明焊缝的塑性劣化程度高于母材。这是因 （2）2%氢环境下母材轴向与周向试样以及焊缝
为较高的氢分压使得不均匀焊缝组织受氢的影响相 试样的氢脆敏感性小于5%氢环境下， 在相同含氢环
较于较低的氢分压明显增加，性能劣化程度进一步 境下焊缝的氢脆敏感性最大，母材周向试样次之，母
增大。 材轴向试样最小。
2.3 氢脆敏感性
参考文献：
由表1可知，2%氢环境下母材轴向与周向试样
以及焊缝试样的氢脆指数均低于5%氢环境下， 说明 ［1］ XING X，CHENG R，CUI G，et al. Quantification of the
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