X６０和X１００鋼顯微組織與HIC性能的關(guān)系

摘　要：采用ＮＡＣＥ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Ｘ６０和Ｘ１００兩種管線鋼進(jìn)行氫致開(kāi)裂（ＨＩＣ）試驗(yàn)，并通過(guò)金相顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織及夾雜物對(duì)兩種管線鋼氫致開(kāi)裂性能的影響。結(jié)果表明，與Ｘ６０鋼相比，Ｘ１００鋼對(duì)ＨＩＣ更為敏感，其裂紋數(shù)量遠(yuǎn)多于Ｘ６０鋼。Ｘ６０鋼在珠光體／鐵素體界面上形成細(xì)裂紋，在鐵的碳化物和ＡｌＯＴｉ夾雜物處形成粗裂紋。Ｘ１００鋼在貝氏體組織上形成細(xì)裂紋，在貝氏體組織和夾雜物的共同作用下形成粗裂紋。由于Ｘ１００鋼晶粒尺寸小，由夾雜物作為氫陷阱形成的粗裂紋寬度遠(yuǎn)小于Ｘ６０鋼中的。除了鐵的碳化物和鈣化的ＡｌＯＴｉ夾雜物，Ｘ１００鋼裂紋中出現(xiàn)更加復(fù)雜的Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ多元素復(fù)合夾雜，鉬元素的富集物對(duì)裂紋的擴(kuò)展影響不顯著。

近年來(lái)隨著石油工業(yè)的發(fā)展，采用的管線鋼級(jí)別逐漸增大，但高強(qiáng)度管線鋼具有更高的氫致開(kāi)裂敏感性。因此，管線鋼的氫致開(kāi)裂行為成為了石油管道破壞的研究重點(diǎn)。管線鋼的顯微組織會(huì)對(duì)鋼材的氫致開(kāi)裂敏感性產(chǎn)生很大影響，除此之外鋼材中的硬質(zhì)相、非金屬夾雜也可作為裂紋源而影響開(kāi)裂行為。有一些學(xué)者針對(duì)高級(jí)別管線鋼的顯微組織和相關(guān)的力學(xué)性能做了研究，探討了管線鋼中常見(jiàn)的幾種組織和析出物。此外，管線鋼中富鋁、富硅相和組織中鉬元素促進(jìn)形成的Ｍ／Ａ島都可作為裂紋源。

本工作通過(guò)對(duì)兩種具有不同顯微組織的管線鋼Ｘ６０和Ｘ１００進(jìn)行氫致開(kāi)裂（ＨＩＣ）標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，結(jié)合表面鼓泡與內(nèi)部裂紋統(tǒng)計(jì)，研究了顯微組織和夾雜物對(duì)管線鋼氫致開(kāi)裂形成和擴(kuò)展的影響規(guī)律，從而明確兩種管線鋼的顯微組織和夾雜物在ＨＩＣ過(guò)程中的作用。

１試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為符合ＡＰＩ管線鋼標(biāo)準(zhǔn)的Ｘ６０和Ｘ１００管線鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表１。相比Ｘ６０鋼，Ｘ１００鋼的碳含量較低，銅、鎳和鉬含量較高，并含有微量硼。

按照ＮＡＣＥＴＭ０２８４－２０１１標(biāo)準(zhǔn)，沿著Ｘ６０和Ｘ１００鋼的軋制方向截取腐蝕試樣各２組，每組３塊，尺寸為１００ｍｍ×２０ｍｍ×９ｍｍ。試樣用丙酮除油后，將試樣６個(gè)表面用３２０號(hào)水砂紙打磨，酒精清洗吹干。在５．０％ＮａＣｌ＋０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨ水溶液中對(duì)兩種鋼進(jìn)行９６ｈ抗ＨＩＣ試驗(yàn)。試驗(yàn)在密閉容器中進(jìn)行，溫度為２５℃。試驗(yàn)開(kāi)始前，通入Ｎ２置換溶液中的溶解氧，時(shí)間不小于２ｈ，充氣速率為２Ｌ／ｍｉｎ；然后通入Ｈ２Ｓ氣體，充氣速率為２００ｍＬ／ｍｉｎ，使試驗(yàn)溶液達(dá)到飽和狀態(tài)；１ｈ后，將Ｈ２Ｓ充氣速率降為１２０ｍＬ／ｍｉｎ進(jìn)行試驗(yàn)，溶液中Ｈ２Ｓ不低于２３００ｍｇ／Ｌ。試驗(yàn)前溶液ｐＨ為２．８，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)溶液中Ｈ２Ｓ達(dá)到飽和時(shí)ｐＨ為３．１，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)ｐＨ為３．８。

對(duì)腐蝕后的試樣進(jìn)行清洗、拍照，按ＮＡＣＥ標(biāo)準(zhǔn)切割，觀察面經(jīng)水砂紙逐級(jí)打磨至２０００號(hào)后拋光，經(jīng)４％硝酸酒精浸蝕后，用ＭＶ６０００型金相顯微鏡觀察裂紋，計(jì)算狉ＣＬ（裂紋長(zhǎng)度比）、狉ＣＴ（裂紋厚度比）和狉ＣＳ（裂紋敏感比），見(jiàn)式（１）～（３）。統(tǒng)計(jì)結(jié)束后，再將試樣重新拋光浸蝕，在ＭＶ６０００型金相顯微鏡和ＪＳＭ６５１０Ａ型掃描電鏡下觀察其顯微組織及裂紋形貌。

２結(jié)果與討論

２．１顯微組織

圖１為Ｘ６０和Ｘ１００兩種管線鋼的顯微組織。由圖１可見(jiàn)，Ｘ６０鋼由多邊形鐵素體和珠光體組成。多邊形鐵素體晶粒沿軋制方向拉長(zhǎng)，晶粒大小不均勻，尺寸分布在４～２０μｍ范圍內(nèi)，珠光體分布在多邊形鐵素體晶界上。Ｘ１００鋼由粒狀貝氏體及針狀鐵素體構(gòu)成。貝氏體在鐵素體的周?chē)指铊F素體，從而細(xì)化鐵素體的晶粒，晶粒尺寸約為２μｍ。

２．２腐蝕形貌和ＨＩＣ敏感性

圖２為氫致開(kāi)裂試驗(yàn)后兩種管線鋼的宏觀形貌。由圖２可見(jiàn)，Ｘ６０鋼表面并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的鼓泡，Ｘ１００鋼試樣出現(xiàn)了大片的塑性變形區(qū)和明顯的鼓泡，鼓泡數(shù)量達(dá)到１１個(gè)，且尺寸較大，甚至出現(xiàn)了小鼓泡連接形成大鼓泡的現(xiàn)象，尺寸在１．７～７．８ｍｍ。

表２為兩種管線鋼的裂紋長(zhǎng)度比、裂紋厚度比和裂紋敏感比。根據(jù)ＧＢ／Ｔ９７１１．３－２００５標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)狉ＣＬ≤１５％，狉ＣＴ≤５％，狉ＣＳ≤２．０％時(shí)，認(rèn)為測(cè)試材料對(duì)ＨＩＣ不敏感?？梢?jiàn)，Ｘ６０鋼的三組裂紋指標(biāo)都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定之內(nèi)，Ｘ１００鋼的裂紋長(zhǎng)度敏感率和裂紋厚度敏感率都超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，說(shuō)明Ｘ１００鋼抗ＨＩＣ性能顯著低于Ｘ６０鋼。

２．３顯微組織和夾雜物對(duì)

ＨＩＣ敏感性影響圖３為Ｘ６０鋼的ＨＩＣ裂紋微觀形貌。由圖３可見(jiàn)，Ｘ６０鋼ＨＩＣ裂紋的形成主要有兩種方式：在珠光體／鐵素體界面上形成的細(xì)裂紋，見(jiàn)圖３（ａ），及由夾雜物作為氫陷阱形成的粗裂紋，見(jiàn)圖３（ｂ）。在珠光體／鐵素體界面上形成的裂紋，主要沿著鐵素體晶界擴(kuò)展，也有少量裂紋穿晶擴(kuò)展，裂紋寬度較細(xì)，僅１～２μｍ，裂紋內(nèi)未出現(xiàn)夾雜。夾雜物作為強(qiáng)的氫陷阱，是ＨＩＣ裂紋的起源之一，夾雜物聚集處的裂紋較粗，寬度約５０μｍ。由圖３（ｂ）可見(jiàn)，裂紋中有大量夾雜物存在。另外，圖３（ａ）箭頭所指位置也有一處明顯夾雜，但裂紋還未與之連接，該夾雜物處尚未出現(xiàn)ＨＩＣ裂紋。

圖４為Ｘ６０鋼ＨＩＣ裂紋中夾雜物的微觀形貌，元素分析結(jié)果見(jiàn)表３。Ｘ６０Ａ

為鐵的碳化物，其顏色與基體一致，表面平整光滑，與鋼基體完全分離，尺寸較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Ｘ６０鋼的９個(gè)觀察表面中共有６處鐵的碳化物夾雜，尺寸為２０～４６μｍ。Ｄｏｎｇ在鐵的碳化物周?chē)l(fā)現(xiàn)氫致開(kāi)裂裂紋，認(rèn)為鐵的碳化物也會(huì)影響鋼的氫致開(kāi)裂性能。圖４中的白色塊狀?yuàn)A雜物Ｘ６０Ｂ為Ａｌ２Ｏ３。Ａｌ２Ｏ３是管線鋼中的主要夾雜物之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，９個(gè)觀察表面中共有１１處Ａｌ２Ｏ３夾雜，粒徑尺寸為１０～３１μｍ。由表３可見(jiàn)，Ａｌ２Ｏ３夾雜成分中的鈦含量為０．５５％。文獻(xiàn)表明，Ａｌ２Ｏ３是鈦化合物的異質(zhì)形核核心，因而絕大部分的Ａｌ２Ｏ３和鈦的化合物以復(fù)合狀態(tài)出現(xiàn)。Ａｌ２Ｏ３夾雜物之所以會(huì)對(duì)氫致開(kāi)裂起促進(jìn)作用，并經(jīng)常于氫致裂紋處觀察到，是因?yàn)榇祟?lèi)夾雜往往有著鋒利的尖角，這些尖角部位是吸附氫的活性中心，會(huì)成為氫原子聚集的場(chǎng)所，氫原子聚集成氫分子產(chǎn)生氫壓，當(dāng)氫壓超出斷裂強(qiáng)度后會(huì)產(chǎn)生裂紋。

圖５為Ｘ１００鋼的ＨＩＣ裂紋的微觀形貌。由圖５可見(jiàn)，Ｘ１００鋼ＨＩＣ裂紋的形成也有兩種方式：在貝氏體上產(chǎn)生，見(jiàn)圖５（ａ），以及由貝氏體和夾雜物共同作用形成，見(jiàn)圖５（ｂ）。貝氏體組織上產(chǎn)生的裂紋，寬度較細(xì)，僅１～３μｍ。在經(jīng)過(guò)針狀鐵素體

時(shí)，裂紋可以穿晶擴(kuò)展。在針狀鐵素體上的裂紋更細(xì)，也說(shuō)明裂紋的主要形核位置不是在鐵素體上。Ｘ１００鋼試樣的觀察表面裂紋數(shù)量遠(yuǎn)多于Ｘ６０鋼，這是由于貝氏體轉(zhuǎn)變屬于中溫轉(zhuǎn)變，會(huì)引起較高的應(yīng)變能和位錯(cuò)密度，較高的應(yīng)力使部分殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，從而形成Ｍ／Ａ島硬質(zhì)相，提高了Ｘ１００鋼的氫致開(kāi)裂敏感性。另外，貝氏體中富碳相

（如島狀富碳奧氏體、Ｍ／Ａ島）的硬相組織與軟相組織（塊狀鐵素體）的邊界屬于組織缺陷，裂紋易于此處萌生和擴(kuò)展。在部分裂紋中可觀察到多種夾雜物，這樣的裂紋寬度在１～７μｍ之間，比僅在貝氏體組織上形成的裂紋寬，但遠(yuǎn)比Ｘ６０鋼中由夾雜物引發(fā)的裂紋窄，見(jiàn)圖４。這是由于管線鋼的晶粒大小隨著鋼的級(jí)別的上升而下降，夾雜物的尺寸也有明顯的下降，造成粗裂紋寬度遠(yuǎn)小于Ｘ６０鋼。

圖６為Ｘ１００鋼ＨＩＣ裂紋中夾雜物的微觀形貌，夾雜物能譜分析結(jié)果見(jiàn)表４。圖６（ａ）中所標(biāo)示的圓形夾雜物Ｘ１００Ａ為鐵的碳化物，與Ｘ６０鋼中的夾雜物Ｘ６０Ａ類(lèi)似。據(jù)統(tǒng)計(jì)，Ｘ１００鋼的９個(gè)觀察表面中共有４處Ｘ１００Ａ夾雜，尺寸為３～６μｍ。圖６（ａ）中所標(biāo)示的微小白色夾雜顆粒Ｘ１００Ｂ為鉬元素的富集物，該種夾雜物在裂紋中存在多達(dá)上百個(gè)，尺寸均小于１μｍ。鉬元素能夠抑制多邊形鐵素體的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)高密度位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)的針狀鐵素體及Ｍ／Ａ組元的形成。圖６（ｂ）中所標(biāo)示的白色多邊形夾雜物Ｘ１００Ｃ為Ａｌ-Ｃａ-Ｏ-Ｔｉ復(fù)合夾雜，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在９個(gè)觀察表面中共存在４處，尺寸為１～５μｍ。這種夾雜物是在Ａｌ２Ｏ３夾雜的基礎(chǔ)上富集了其他元素，如鈣、錳等形成的復(fù)合型夾雜。其形態(tài)也受富集元素的含量大小而變化，如隨著鈣元素含量的提高，本來(lái)鋒利的多邊形Ａｌ２Ｏ３夾雜物會(huì)逐漸球化。圖６（ｃ）中所標(biāo)示的方形黑色夾雜物Ｘ１００Ｄ為ＭｎＣａＳｉＭｇＯＳ復(fù)合型夾雜物，在Ｘ１００鋼的９個(gè)觀察表面存在３處，尺寸為３～７μｍ。這四種夾雜物，除了鉬元素的富集物是廣泛存在于各種粗細(xì)裂紋中外，鐵的碳化物、鈣化的Ａｌ-Ｏ-Ｔｉ夾雜以及更加復(fù)雜的Ｍｎ-Ｃａ-Ｍｇ-Ｓｉ-Ｏ-Ｓ復(fù)合夾雜均出現(xiàn)在粗裂紋中?？梢?jiàn)，后三種夾雜物是造成裂紋擴(kuò)展的主要夾物，而鉬元素的富集物對(duì)于裂紋擴(kuò)展的作用不大。

相比Ｘ６０鋼，Ｘ１００鋼中添加了更多的錳、鉬、銅等合金元素，這些元素的加入在提高其力學(xué)性能的同時(shí)，也影響到了鋼中夾雜物的元素分布，并在一定程度上影響了原有夾雜的形態(tài)和力學(xué)性能。１００鋼中出現(xiàn)了鉬的富集物、鈣化的ＡｌＯＴｉ夾雜以及更加復(fù)雜的ＭｎＣａＭｇＳｉＯＳ復(fù)合夾雜，這些區(qū)別于Ｘ６０鋼中的新型夾雜物對(duì)管線鋼ＨＩＣ性能產(chǎn)生的影響也有待于進(jìn)一步研究。

３結(jié)論

（１）具有貝氏體組織的Ｘ１００鋼ＨＩＣ試驗(yàn)后出現(xiàn)大量氫鼓泡和內(nèi)部氫致裂紋，具有比

Ｘ６０鋼更高的ＨＩＣ敏感性。Ｘ６０鋼的細(xì)裂紋在珠光體／鐵素體界面上形成，主要沿著鐵素體晶界擴(kuò)展；Ｘ１００鋼的細(xì)裂紋在貝氏體組織上形成，并可以從鐵素體晶粒中穿晶擴(kuò)展。

（２）Ｘ６０鋼中粗裂紋是由于夾雜物作為強(qiáng)的氫陷阱而形成，鐵的碳化物和ＡｌＯＴｉ是其主要夾雜物，但是裂紋周?chē)膴A雜物并不一定造成裂紋的深度擴(kuò)展。

（３）Ｘ１００鋼中粗裂紋是由于貝氏體組織和夾雜物共同作用而形成。由于鋼級(jí)的提高，晶粒尺寸下降，因夾雜物而形成的粗裂紋比Ｘ６０鋼小一個(gè)數(shù)量級(jí)。除了鐵的碳化物和鈣化的ＡｌＯＴｉ夾雜物外，由于添加了更多的合金元素，出現(xiàn)了更復(fù)雜的多元素夾雜物，如ＭｎＣａＭｇＳｉＯＳ夾雜等，鉬元素的富集物對(duì)于裂紋擴(kuò)展的作用不顯著。