金属学报  2017 , 53 (12): 1579-1587 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00101

Orginal Article

MS X70酸性环境用管线钢焊接接头氢致开裂敏感性及氢捕获效率研究

赵小宇, 黄峰, 甘丽君, 胡骞, 刘静

武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室 武汉 430000

Hydrogen-Induced Cracking Susceptibility and Hydrogen Trapping Efficiency of the Welded MS X70 Pipeline Steel in H2S Environment

ZHAO Xiaoyu, HUANG Feng, GAN Lijun, HU Qian, LIU Jing

The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430000, China

中图分类号:  TG172.3

文章编号:  0412-1961(2017)12-1579-09

通讯作者:  通讯作者 黄 峰,huangfeng@wust.edu.cn,主要从事钢铁材料在自然和工业环境氢致开裂和应力腐蚀开裂的研究

收稿日期: 2017-03-28

网络出版日期:  2017-12-10

版权声明:  2017 《金属学报》编辑部 《金属学报》编辑部

基金资助:  国家自然科学基金项目No.51571154和湖北省科技支撑计划项目No.2015BAA083

作者简介:

作者简介 赵小宇,男,1992年生,硕士生

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摘要

对MS X70管线钢母材及其焊接接头氢致开裂(HIC)敏感性进行了评估,利用OM、FE-SEM和EBSD对其显微组织、HIC裂纹及周围的晶界结构进行了观察和分析,并通过计算渗透通量J和氢有效扩散系数Deff对母材及焊接接头的氢捕获效率进行了研究。结果表明,MS X70管线钢母材及其焊接接头的HIC敏感性均不能达到欧标要求,且焊接接头比母材具有更高的HIC敏感性。焊接接头的HIC敏感性较高主要归结于:以条状贝氏体为主的焊缝组织对H原子的捕获效率高于母材;焊接接头中较多的作为H通道的小角度晶界可通过提高大角度晶界氢捕获效率从而增加其裂纹敏感率;焊接接头中较少量低能重位点阵(CSL)晶界和Σ13b、Σ29b重位晶界降低了大角度晶界裂纹扩展抗力从而使其具有更高的HIC敏感性。

关键词: MS X70管线钢 ; 焊接接头 ; 晶界 ; 氢致开裂(HIC) ; 氢捕获效率

Abstract

Pipeline steels for sour oil and gas containing H2S generally suffer from either hydrogen-induced cracking (HIC) or sulfide stress corrosion cracking (SSC). Oil and gas containing high concentration H2S are noxious to pipeline steels because of the hydrogen-induced corrosion. In this study, HIC susceptibility of welded MS X70 pipeline steels was evaluated in NACE “A” solution at room temperature. Meanwhile, microstructure and regions near a HIC crack in the MS X70 base steel and its welded joint were analyzed through OM, SEM and EBSD. The hydrogen trapping efficiency was also investigated by measuring the permeability (J) and the effective hydrogen diffusivity (Deff). The results showed that both base metal and welded joint were highly susceptible to HIC and the later steel sample was more vulnerable than the former. This higher susceptibility could be primarily attributed to the following effects: the higher hydrogen trapping efficiency of bainitic lath microstructure in the welded joint; the more low angle grain boundary in the welded joint also made it easier to crack by improving the hydrogen trapping efficiency of high angle grain boundary; the less amount of coincidence site lattice grain boundary and Σ13b、Σ29b lead to higher HIC susceptibility by decreasing the resistance to crack of high angle grain boundary.

Keywords: MS X70 pipeline steel ; welded joint ; grain boundary ; hydrogen-induced cracking (HIC) ; hydrogen trapping efficiency

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赵小宇, 黄峰, 甘丽君, 胡骞, 刘静. MS X70酸性环境用管线钢焊接接头氢致开裂敏感性及氢捕获效率研究[J]. 金属学报, 2017, 53(12): 1579-1587 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00101

ZHAO Xiaoyu, HUANG Feng, GAN Lijun, HU Qian, LIU Jing. Hydrogen-Induced Cracking Susceptibility and Hydrogen Trapping Efficiency of the Welded MS X70 Pipeline Steel in H2S Environment[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2017, 53(12): 1579-1587 https://doi.org/10.11900/0412.1961.2017.00101

近年来,随着能源需求量的不断增加,运输石油天然气等的管线用钢也发展迅猛,低成本、高安全性酸性环境用高强管线钢的研发也受到越来越多研究者的关注。由于运输的石油天然气中包含有H2S,使得管线钢的应用受到力学和腐蚀等问题限制,氢致开裂(HIC)和应力腐蚀开裂(SCC)就是在酸性环境中管线钢失效的2种主要形式[1]。管线钢在湿H2S环境中发生腐蚀,由于S2-、HS-毒化剂的作用,导致发生的阴极反应,在金属表面产生吸附氢原子Hads,Hads逐渐渗入钢中成为溶解氢原子Habs,Habs在钢中的氢陷阱如夹杂物/基体界面、带状组织、位错、晶界等处聚集形成H2[2],随着聚集的H原子数量增加,当氢压超过某一临界值时,就在钢材内部形成裂纹并随氢压的增大进一步扩展[3]

在我国西气东输工程中,管线钢铺设的主要工艺之一便是焊接。由于焊接热循环作用,过渡区的化学成分、显微组织、物理和力学性能都发生了很大变化[4],这使其与母材相比往往具有更高的HIC和SSC敏感性。Zhou等[4]指出,在含H2S的酸性环境下,X60管线钢焊接接头具有高的SSC敏感性,SSC裂纹沿着接头融合线扩展; Olden等[5]的研究表明,X70管线钢焊接接头中热影响区马氏体相的高氢原子捕获效率使其比母材具有更高的HIC敏感性;Zhao等[6]研究表明,在含高压H2环境下,X80管线钢母材、焊缝和热影响区的氢表征扩散系数依次增大,也说明X80管线钢焊接接头热影响区的HIC敏感性最高。但与上述认为焊接接头比母材具有更高HIC、SSC敏感性观点相反的是,Forero等[7]认为,X65管线钢母材中的铁素体珠光体组织对HIC最敏感,热影响区的针状铁素体和多边形铁素体与焊缝中的下贝氏体相则具有良好的抗HIC性能。可见,不是所有的焊接接头都具有较高的HIC敏感性。结合HIC产生的原理可知,管线钢的HIC敏感性与其显微组织和H原子在钢中的渗透扩散行为有着密切的关系,而H原子在钢中的渗透和扩散行为主要受钢中氢陷阱的影响[8],不同的微观组织和缺陷对H原子的捕获效率不同,材料的HIC敏感性也不一样。

有关显微组织对HIC敏感性及氢捕获效率影响的研究已有较多报道,主要集中在贝氏体组织上。如Park 等[9]认为,贝氏体组织有较高的氢捕获效率,容易导致组织变脆;Chang 等[10]进一步证实了贝氏体、马氏体的板条界具有较高的氢捕获效率,当捕获的H原子浓度超过某一临界值时便会诱发HIC;Arafin和Szpunar[11]的研究也指出,X100管线钢中贝氏体板条界面具有较高的氢捕获效率,扩散氢原子浓度和较高的应力集中使得其具有较高的HIC敏感性。还有研究者[12]指出,贝氏体与铁素体复合成双相组织具有良好的抵抗HIC能力,但与马氏体复合则为HIC敏感组织。与上述观点不同,Hardie等[13]认为钢中的扩散氢才是HIC敏感性的主要影响因素,扩散氢更容易移动到裂纹尖端,促进裂纹扩展,增加HIC敏感性。本课题组前期工作[14~16]也从显微组织、非金属夹杂物、氢捕获效率等方面对WDL690D高压容器钢、X80、X120等管线钢焊接接头的HIC、SSC敏感性及氢捕获效率进行了系统研究,认为高压容器钢WDL690D焊接接头的组织不均匀性与较高的氢捕获效率是其比母材具有更高SSC敏感性的主要原因[14];氢表观扩散系数Dapp、氢扩散通量J越小,阴极侧氢浓度Capp越大,管线钢的HIC敏感性越大[16],且含Mn、Al的非金属夹杂物是X80管线钢HIC裂纹的主要形核点[15]

近年来,也有研究者[17,18]运用电子背散射衍射(EBSD)分析了HIC裂纹扩展与晶界结构的关系,发现大角度晶界对HIC裂纹扩展有阻碍作用。如孙小立等[17]指出,晶粒尺寸越小,有效晶粒越小,大角度晶界对小角度晶界比率越高,管线钢的韧性越好,裂纹扩展必然会消耗更多的能量。董俊明等[18]也在X100与X80管线钢组织与冲击性能分析中表明:在断裂中对裂纹扩展起到有效阻碍作用的是大角度晶界,在穿过大角度晶界时,裂纹方向会发生扭折,从而消耗很大的能量;但与之相反的是,Saleh等[19]认为,小角度晶界和重位点阵(CSL)晶界具有更低的能量,与大角度晶界相比具有更高的穿晶断裂抗力;且较多的小角度晶界作为可逆氢陷阱可以使H原子均匀分布,从而提高抗HIC敏感性[20];Masoumi等[21]通过研究也得到同样结论。综上所述可知:管线钢的HIC敏感性不仅与其显微组织对H的捕获效率、钢中的扩散氢含量等有密切关系,而且还与其本身的晶界结构有关。目前捕获不可逆氢与扩散氢对HIC的作用、晶界结构影响裂纹扩展的机理存在较大争议,尚待解决。

本工作依据NACE TM0284-2011标准,对酸性环境用MS X70管线钢焊接接头 HIC敏感性进行了评估,并通过母材和焊接接头氢渗透动力学参数的比较,分析了微观组织对H原子的捕获效率;运用EBSD分析了晶界结构对HIC敏感性的作用机理及规律,从而对管线钢HIC机理的研究提供一些理论依据。

1 实验方法

酸性环境用MS X70管线钢采用自保护药芯焊丝进行焊接,焊接电流200~240 A,焊接电压25~30 V,焊接速率25~30 cm/min。表1给出了MS X70管线钢母材和药芯焊丝的主要化学成分。

表1   MS X70管线钢和药芯焊丝的主要化学成分

Table 1   Chemical compositions of MS X70 pipeline steel and welding wire (mass fraction / %)

SampleCSiMnPSCuCrNiMoNbVFe
Base metal0.0460.2571.1090.0070.0010.0910.2340.0900.1050.0360.028Bal.
Welding wire0.0680.2601.3200.0110.019-0.3700.4500.110-0.002Bal.

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将MS X70管线钢焊接接头试样线切割为50 mm×10 mm×10 mm的长方形,包括焊缝、热影响区和母材。用金相砂纸逐级依次打磨试样至2000号,用2.5和1.0 μm的抛光膏抛光,丙酮脱脂后采用4%硝酸酒精(体积分数)腐蚀,利用Axioplan2 imaging金相显微镜(OM)观察显微组织。利用HV-1000B显微硬度仪对焊接接头的显微硬度分布进行测试。

依据NACE TM0284-2011标准对MS X70管线钢焊接接头取样并进行HIC敏感性测试。焊缝位于试样中心,试样尺寸为100 mm×20 mm×7 mm,在25 ℃溶液中浸泡96 h,常温常压,实验溶液采用NACE A溶液:5.0%NaCl (质量分数,下同)+0.5%CH3COOH+94.5%蒸馏水+饱和硫化氢,实验开始时和结束后溶液pH值分别为2.71和3.85。实验结束后,利用Axioplan2 imaging OM观察并统计截面上所有可见裂纹,并依据NACE TM0284-2011标准的规定计算试样裂纹长度率(CLR)、裂纹宽度率(CTR)和裂纹敏感率(CSR)。

扩散氢含量测量实验采用双电解池充放氢,充氢室溶液为50%H2SO4 (体积分数)溶液[11],充氢电流密度为5 mA/cm2,时间2 h,放氢室为0.1 mol/L的NaOH溶液,施加+300 mV的氧化电位,得到MS X70管线钢母材与焊接接头试样的放氢曲线。

利用改装的Davanathan-Stachursky双电解池氢渗透装置[15],对MS X70管线钢焊接接头和母材进行氢渗透曲线测量,试样尺寸为30 mm×20 mm×1 mm,两面均打磨抛光至镜面,电解池左侧是氢接受室,右侧为充氢室。首先在左室中倒入0.1 mol/L NaOH溶液并通入N2除O2,采用CHI660a电化学工作站控制左室试样表面电位为250 mV (相对于饱和甘汞电极(SHE)),待背底电流稳定后,往右室中倒入NACE A底溶液(5.0%NaCl+0.5%CH3COOH+94.5%蒸馏水)并通N2除O2 2 h,最后持续通入H2S直至饱和,用CHI600a电化学工作站记录氢接受室的阳极氧化电流,整个过程中电解池左室均一直通入N2除O2。试样的J、氢有效扩散系数Deff、阴极侧氢浓度C0用以下公式来计算[15]

J=IFA(1)

Deff=d26tL(2)

C0=J×dDeff(3)

式中,A为试样工作面积;F为Faraday常数;I为最大稳态渗氢电流;d为试样的厚度;tL为电流为It时在渗氢曲线上所对应的时间;It=0.63 I。所有实验均在常温下进行,为了确保实验数据的准确性,每次实验均重复3次以上。为了更好地理解氢致裂纹扩展与晶界之间的关系,采用Nova 400 Nano场发射扫描电镜(FE-SEM)对HIC测试后的试样裂纹进行观察,同时对裂纹附近的晶界结构进行EBSD分析。

2 实验结果与讨论

2.1 MS X70管线钢焊接接头显微组织与硬度分布

图1给出了MS X70管线钢焊接接头宏观照片。由图1可以清楚分辨母材(I区)、热影响区(II区)和焊缝(III区),其显微组织的OM像如图2所示。从图2可以看出,MS X70管线钢母材主要以均匀细小的多边形铁素体(F)为主,其中含有少量的珠光体(P)及珠光体带(图2a);热影响区主要为板条贝氏体(B)和多边形铁素体组织,两者相间分布(图2b);焊缝组织以板条贝氏体为主,外加少量在晶内分布的准多边形铁素体,贝氏体板条发达且板条之间呈现一定的位向角(图2c),焊缝区域由于受焊接热循环作用,晶粒明显粗化且贝氏体板条长度较热影响区明显变长。

图1   MS X70管线钢焊接接头宏观照片

Fig.1   photo of welded MS X70 pipeline steel (Regions I, II and III show the base steel, heat-affected zone (HAZ) and weld metal, respectively)

图2   MS X70管线钢焊接接头显微组织的OM像

Fig.2   OM images of weld MS X70 pipeline steel (P—pearlite, F—ferrite, B—bainite)(a) base metal (b) HAZ (c) weld metal

图3给出了MS X70管线钢焊接接头组织显微硬度分布。可以看出,从焊缝区域到母材显微硬度逐渐降低,焊缝区域硬度最高为295.7 HV,母材硬度最低值为239.9 HV。这比Ma等[22]测出的均匀的板条贝氏体相显微硬度272.2 HV稍高,这可能与焊缝处组织的不均匀有关,而母材均匀细小的铁素体珠光体组织因具有较强的细晶强化作用,使其硬度达到240 HV以上。评价管线钢在湿的H2S环境下是否适合服役的另一重要参数便是其硬度,根据NACE MR 0175/ISO 15156标准,碳钢及其焊接接头的显微硬度应不超过248 HV。MS X70管线钢母材硬度的平均值接近该临界值,而焊缝组织的显微硬度则明显超过了相应标准,因此,较高的硬度可能导致母材和焊接接头具有较高HIC敏感性,且接头处更高的硬度使其比母材抗HIC性能更差,这将会在HIC敏感性测试中得到证实。

图3   MS X70管线钢焊接接头显微硬度分布图

Fig.3   Vickers microhardness profile of the welded joint of MS X70 pipeline steel

2.2 MS X70管线钢母材和焊接接头HIC敏感性

表2给出了MS X70管线钢母材和焊接接头HIC敏感性参数CSR、CLR 和CTR的计算结果。根据欧标BS EN ISO 15156-1规定,当CSR<2%、CLR<15%、CTR<5%时,材料对HIC不敏感。由表2可知,MS X70管线钢母材和焊接接头抗HIC敏感性性能均不能达到欧标要求,且焊接接头比母材具有更高的HIC敏感性。除了上述母材和焊接接头较高的显微硬度的影响外,钢中扩散氢与捕获氢均会对材料的HIC敏感性起到至关重要的作用。

表2   MS X70管线钢母材和焊接接头氢致开裂(HIC)敏感性参数

Table 2   Hydrogen-induced cracking (HIC) susceptibility parameters of the MS X70 pipeline steel and its welded joint

SampleCSRCLRCTR
Base metal
Welded joint
0.43
0.50
13.00
22.95
5.35
12.30

Note: CSR—crack sensitivity ratio, CLR—crack length ratio, CTR—crack thickness ratio

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2.3 H对MS X70管线钢母材及其焊接接头HIC敏感性影响

2.3.1 MS X70管线钢母材和焊接接头扩散氢含量比较 钢中总氢量根据类型不同可分为晶格氢与捕获氢,而捕获氢根据捕获能的大小又进一步分为可逆氢与不可逆氢[23],其中可逆氢由于受到较小的捕获能而能够在钢中扩散,因此可将晶格氢与可逆氢一并称为扩散氢。图4给出了MS X70管线钢母材及其焊接接头的放氢曲线。通过对图4中曲线所围面积定性对比发现,母材比焊接接头具有更多的扩散氢原子,但其抗HIC敏感性优于焊接接头,这说明试样中的扩散氢并不是影响HIC敏感性的主要原因,这与文献[9~12]的结果一致。另外,表2中焊接接头的CSR、CLR和CTR均大于母材也说明裂纹在焊接接头中扩展所受的扩展抗力更小。扩散氢的主要作用之一便是容易扩散到裂纹尖端,降低尖端的表面能从而促进裂纹的扩展。因此,母材中虽有较多扩散氢,但裂纹敏感率却较低,说明裂纹的扩展还与晶界结构密切相关,这将在后文进一步讨论。

图4   MS X70管线钢母材和焊接接头放氢电流强度曲线

Fig.4   Discharging current curves of the MS X70 pipeline steel and its welded joint

2.3.2 MS X70管线钢母材和焊接接头的氢捕获效率 由上述分析可知,钢中的扩散氢不是引起HIC的主要影响因素,强的捕获氢才有可能是HIC敏感性的主要影响因素。图5给出了MS X70管线钢母材及其焊接接头在饱和H2S环境下的氢渗透动力学曲线。可以看出,母材比接头具有更高的稳态渗氢电流,且达到稳态的时间也较短。为了进一步比较母材和焊接接头的氢捕获效率,运用式(1)~(3)计算相关氢渗透动力学参数如表3所示。由表3可知,焊接接头的DeffJC0均比母材要小。

图5   MS X70管线钢母材和焊接接头氢渗透曲线

Fig.5   Hydrogen permeation curves of the MS X70 pipeline steel and its welded joint

表3   MS X70管线钢母材和焊接接头氢渗透动力学参数

Table 3   Hydrogen permeation data for tested steels

SampleJ / (molcm-1s-1)Deff / (cm2s-1)C0 / (molcm-3)
Base metal19.40×10-111.53×10-61.27×10-5
Welded joint6.07×10-110.93×10-60.40×10-5

Note: J—hydrogen permeation flux, Deff—effective hydrogen diffusivity, C0—sub-surface hydrogen concentration at the entry face

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H在钢中的渗透和扩散主要受2个因素的影响:一是材料表面的H原子浓度,这主要由钢所处的环境,如pH值、H2S分压等所决定;二是钢试样本身的微观组织,包括基体、第二相、非金属夹杂物和析出物对H在钢中扩散的影响等[9]。而本工作的实验环境均是NACE A溶液,因此母材和焊接接头的显微组织是H在钢中渗透的主要影响因素。一般而言,JDeff越小,说明材料对H的捕获效率越高[24],导致H在材料中扩散越困难。H在焊接接头中的有效扩散系数和渗透通量均小于母材,这说明以板条贝氏体为主的焊接接头对H的捕获效率高于母材,即H更容易在贝氏体中被捕获,这与文献[9~11]的结果一致。另外,H在α-Fe中的扩散系数为10-5 cm2/s数量级[25],比本工作测得的结果高了一个数量级,据此可推测MS X70管线钢母材及焊接接头中存在大量的氢陷阱,当这些氢陷阱捕获氢的量超过某一临界值,HIC裂纹便会萌生。文献[26]认为DeffJ越低,说明试样对氢捕获效率越高,其HIC敏感性越大,这与本工作焊接接头的CLR、CTR和CSR均大于母材的实验结果一致。与母材相比,具有更高氢捕获效率是MS X70管线钢焊接接头组织具有更高HIC敏感性的主要原因之一。不过焊接接头的阴极侧氢浓度C0比母材低,与文献结论并不十分相符,Park等[9]在对氢捕获效率和管线钢氢致开裂的研究中也遇到类似问题,这可能是由于试样表面状态等各种复杂因素的综合结果,对本工作的结论并无太大影响。

2.4 HIC裂纹扩展与晶界结构

由前文的讨论可知,HIC裂纹扩展与晶界结构密切相关。图6和7分别给出了MS X70管线钢母材与焊接接头HIC裂纹附近的晶粒取向成像图(IPF)及大小角度晶界分布图(根据晶界角θ的大小可将晶界分为小角度晶界(LAGB,1°<θ<5°)、中等角度晶界(MAGB,5°≤θ≤15°)和大角度晶界(HAGB,15°<θ<63°)),各类型晶界的比例见图8

图6   MS X70管线钢母材和焊接接头HIC裂纹取向成像图

Fig.6   IPF color maps in MS X70 pipeline steel (a) and its welded joint (b) (ND—normal direction, TD—transverse direction)

图7   MS X70管线钢母材和焊接接头HIC裂纹周围晶界分布图

Fig.7   Grain boundary maps in MS X70 pipeline steel (a) and its welded joint (b) (Green lines indicate low angle grain boundaries (LAGBs), yellow lines indicate medium angle grain boundaries (MAGBs) and red lines indicate high angle grain boundaries (HAGBs), respectively)

图8   MS X70管线钢母材及其焊接接头不同晶界所占体积分数

Fig.8   Volume fractions of LAGBs, MAGBs, HAGBs and coincidence site lattice (CSL) in the MS X70 pipeline steel and its welded join

图7可知,无论母材还是焊接接头,其HIC裂纹周围主要是大量的小角度晶界,而在焊接接头中发现HIC裂纹还穿过了少量的大角度晶界,与Mohtadi-Bonab等[27]观察到的现象一致,这很可能是大小角度晶界对H的捕获效率不同所造成的。一般而言,与大角度晶界相比,小角度晶界和CSL晶界由于具有较低的能量,能够有效地阻碍裂纹扩展,晶界工程中也常通过增加小角度晶界和CSL晶界比例改善材料韧性,从而提高其裂纹抗力[28]。然而,本工作表明,具有高达78.1%小角度晶界比例(图8)的焊接接头反而有较高的裂纹扩展敏感率,这与一般性结论[19,20]并不相符。那么在一般性结论[19,20]认为小角度晶界具有高裂纹抗力时均只考虑了晶界能对裂纹扩展的影响,而HIC裂纹形核与扩展的本质是H原子的捕获聚集产生高的氢压从而为裂纹扩展提供动力,因此在讨论大小角度晶界对HIC裂纹的影响时,一方面要考虑晶界能的影响,另一方面还要考虑晶界对H原子捕获效率的影响。

图7还可以看出,与裂纹扩展路径上存在大量小角度晶界相反的是,在裂纹尖端处存在较多的大角度晶界,而几乎看不到小角度晶界,据此可以推测母材与焊接接头HIC裂纹扩展主要是沿着大角度晶界扩展,而非小角度晶界。小角度晶界可分为对称倾斜晶界、不对称倾斜晶界以及扭转晶界,其本质是位错,因此可将小角度晶界视为可逆氢陷阱[19,20],相反大角度晶界由于具有较高的能量、位错密度和空位缺陷使其具有更高的氢捕获效率[20],可视为强氢陷阱。因此H在扩散过程中会受到大小角度晶界的捕获作用,而大小角度晶界对氢捕获能的高低会使H往大角度晶界处聚集而非小角度晶界,当聚集的氢压达到某一临界值时,裂纹便会沿着大角度晶界扩展(图7)。而裂纹周围大量聚集的小角度晶界,即可逆氢陷阱,则可能是作为氢通道加速H往大角度晶界即强氢陷阱处捕获聚集[29],为裂纹扩展提供足够的氢压。综上所述,大角度晶界由于具有较高的能量和氢捕获效率使其成为了HIC裂纹扩展通道,而小角度晶界较低的氢捕获能使其主要作为H通道加速H往大角度晶界扩散从而促进裂纹扩展。

2.5 母材与焊接接头HIC敏感性差异探讨

图9给出了MS X70管线钢母材及焊接接头HIC裂纹附近CSL频度图。由氢渗透实验以及HIC裂纹附近晶界结构分析可知,MS X70管线钢焊接接头比母材具有较高HIC敏感性的主要原因是其具有更高的氢捕获效率。首先,以板条贝氏体为主的焊缝组织的DeffJ较低,氢捕获效率更高,从而使其具有更高的HIC敏感性;其次,接头处较多的作为氢通道的小角度晶界(图8)为H往大角度晶界捕获聚集提供了更多的路径,提高了焊接接头中大角度晶界的氢捕获效率[30],促进了裂纹沿着大角度晶界扩展,因而使焊接接头具有比母材更高的HIC敏感性;最后,母材具有较多的裂纹扩展通道,即大角度晶界,但HIC敏感性仍较低的另一个影响因素便是较多的CSL晶界含量。母材大角度自由晶界上较多的部分低能特殊晶界打断了自由晶界的连通性,降低了母材大角度晶界整体的晶界能[31];母材中含有较多的Σ13b、Σ29b特殊晶界(图9),有研究[27]表明,该类型晶界具有较高的裂纹扩展抗力。总之,MS X70管线钢焊接接头比母材具有更高HIC敏感性的主要原因如下:以板条贝氏体为主的焊接接头组织比母材具有更高的氢捕获效率;焊接接头中较多的作为氢通道的小角度晶界提高了大角度晶界的氢捕获效率;焊接接头中较少的低能量CSL晶界以及Σ13b、Σ29b重位晶界降低了其大角度的裂纹扩展抗力。

图9   MS X70管线钢母材和焊接接头HIC裂纹附近重位点阵晶界频度图

Fig.9   CSL boundaries histogram in MS X70 pipeline steel and its welded join

3 结论

(1) MS X70管线钢母材由均匀细小的多边形铁素体和少量珠光体组成,热影响区组织则由相间分布的铁素体与板条贝氏体组成,粗大的板条贝氏体和少量铁素体构成了焊缝组织。

(2) MS X70管线钢母材与焊接接头的抗HIC敏感性均不能达到欧标要求,且焊接接头比母材具有更高的HIC敏感性,这主要与以条状贝氏体为主的焊缝组织对H的捕获效率大于均匀细小的多边形铁素体和珠光体双相组织有关。

(3) 除了显微组织对HIC敏感性的影响外,焊接接头中较多的小角度晶界可作为H通道提高大角度晶界的氢捕获效率,进而促进裂纹沿着大角度晶界扩展,从而使其具有更高的裂纹敏感率。另外,焊接接头中较少量低能CSL晶界以及Σ13b、Σ29b重位晶界均可降低大角度晶界裂纹扩展抗力,从而增加其HIC敏感性。

The authors have declared that no competing interests exist.


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