X６０和X１００鋼顯微組織與HIC性能的關系

摘　要：采用ＮＡＣＥ標準對Ｘ６０和Ｘ１００兩種管線鋼進行氫致開裂（ＨＩＣ）試驗，并通過金相顯微鏡和掃描電鏡觀察顯微組織及夾雜物對兩種管線鋼氫致開裂性能的影響。結果表明，與Ｘ６０鋼相比，Ｘ１００鋼對ＨＩＣ更為敏感，其裂紋數量遠多于Ｘ６０鋼。Ｘ６０鋼在珠光體／鐵素體界面上形成細裂紋，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鋼裂紋中出現更加復雜的Ｍｎ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｏ、Ｓ多元素復合夾雜，鉬元素的富集物對裂紋的擴展影響不顯著。

近年來隨著石油工業的發展，采用的管線鋼級別逐漸增大，但高強度管線鋼具有更高的氫致開裂敏感性。因此，管線鋼的氫致開裂行為成為了石油管道破壞的研究重點。管線鋼的顯微組織會對鋼材的氫致開裂敏感性產生很大影響，除此之外鋼材中的硬質相、非金屬夾雜也可作為裂紋源而影響開裂行為。有一些學者針對高級別管線鋼的顯微組織和相關的力學性能做了研究，探討了管線鋼中常見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形成的Ｍ／Ａ島都可作為裂紋源。

本工作通過對兩種具有不同顯微組織的管線鋼Ｘ６０和Ｘ１００進行氫致開裂（ＨＩＣ）標準試驗，結合表面鼓泡與內部裂紋統計，研究了顯微組織和夾雜物對管線鋼氫致開裂形成和擴展的影響規律，從而明確兩種管線鋼的顯微組織和夾雜物在ＨＩＣ過程中的作用。

１試驗

試驗材料為符合ＡＰＩ管線鋼標準的Ｘ６０和Ｘ１００管線鋼，其化學成分見表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標準，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個表面用３２０號水砂紙打磨，酒精清洗吹干。在５．０％ＮａＣｌ＋０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨ水溶液中對兩種鋼進行９６ｈ抗ＨＩＣ試驗。試驗在密閉容器中進行，溫度為２５℃。試驗開始前，通入Ｎ２置換溶液中的溶解氧，時間不小于２ｈ，充氣速率為２Ｌ／ｍｉｎ；然后通入Ｈ２Ｓ氣體，充氣速率為２００ｍＬ／ｍｉｎ，使試驗溶液達到飽和狀態；１ｈ后，將Ｈ２Ｓ充氣速率降為１２０ｍＬ／ｍｉｎ進行試驗，溶液中Ｈ２Ｓ不低于２３００ｍｇ／Ｌ。試驗前溶液ｐＨ為２．８，試驗開始時溶液中Ｈ２Ｓ達到飽和時ｐＨ為３．１，試驗結束時ｐＨ為３．８。

對腐蝕后的試樣進行清洗、拍照，按ＮＡＣＥ標準切割，觀察面經水砂紙逐級打磨至２０００號后拋光，經４％硝酸酒精浸蝕后，用ＭＶ６０００型金相顯微鏡觀察裂紋，計算狉ＣＬ（裂紋長度比）、狉ＣＴ（裂紋厚度比）和狉ＣＳ（裂紋敏感比），見式（１）～（３）。統計結束后，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，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，晶粒大小不均勻，尺寸分布在４～２０μｍ范圍內，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成。貝氏體在鐵素體的周圍分割鐵素體，從而細化鐵素體的晶粒，晶粒尺寸約為２μｍ。

２．２腐蝕形貌和ＨＩＣ敏感性

圖２為氫致開裂試驗后兩種管線鋼的宏觀形貌。由圖２可見，Ｘ６０鋼表面并沒有出現明顯的鼓泡，Ｘ１００鋼試樣出現了大片的塑性變形區和明顯的鼓泡，鼓泡數量達到１１個，且尺寸較大，甚至出現了小鼓泡連接形成大鼓泡的現象，尺寸在１．７～７．８ｍｍ。

表２為兩種管線鋼的裂紋長度比、裂紋厚度比和裂紋敏感比。根據ＧＢ／Ｔ９７１１．３－２００５標準規定，當狉ＣＬ≤１５％，狉ＣＴ≤５％，狉ＣＳ≤２．０％時，認為測試材料對ＨＩＣ不敏感。可見，Ｘ６０鋼的三組裂紋指標都在標準規定之內，Ｘ１００鋼的裂紋長度敏感率和裂紋厚度敏感率都超過了標準規定，說明Ｘ１００鋼抗ＨＩＣ性能顯著低于Ｘ６０鋼。

２．３顯微組織和夾雜物對

ＨＩＣ敏感性影響圖３為Ｘ６０鋼的ＨＩＣ裂紋微觀形貌。由圖３可見，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裂紋，見圖３（ａ），及由夾雜物作為氫陷阱形成的粗裂紋，見圖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展，也有少量裂紋穿晶擴展，裂紋寬度較細，僅１～２μｍ，裂紋內未出現夾雜。夾雜物作為強的氫陷阱，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，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，元素分析結果見表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。據統計，Ｘ６０鋼的９個觀察表面中共有６處鐵的碳化物夾雜，尺寸為２０～４６μｍ。Ｄｏｎｇ在鐵的碳化物周圍發現氫致開裂裂紋，認為鐵的碳化物也會影響鋼的氫致開裂性能。圖４中的白色塊狀夾雜物Ｘ６０Ｂ為Ａｌ２Ｏ３。Ａｌ２Ｏ３是管線鋼中的主要夾雜物之一。據統計，９個觀察表面中共有１１處Ａｌ２Ｏ３夾雜，粒徑尺寸為１０～３１μｍ。由表３可見，Ａｌ２Ｏ３夾雜成分中的鈦含量為０．５５％。文獻表明，Ａｌ２Ｏ３是鈦化合物的異質形核核心，因而絕大部分的Ａｌ２Ｏ３和鈦的化合物以復合狀態出現。Ａｌ２Ｏ３夾雜物之所以會對氫致開裂起促進作用，并經常于氫致裂紋處觀察到，是因為此類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，會成為氫原子聚集的場所，氫原子聚集成氫分子產生氫壓，當氫壓超出斷裂強度后會產生裂紋。

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

時，裂紋可以穿晶擴展。在針狀鐵素體上的裂紋更細，也說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量遠多于Ｘ６０鋼，這是由于貝氏體轉變屬于中溫轉變，會引起較高的應變能和位錯密度，較高的應力使部分殘余奧氏體轉變成馬氏體，從而形成Ｍ／Ａ島硬質相，提高了Ｘ１００鋼的氫致開裂敏感性。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，但遠比Ｘ６０鋼中由夾雜物引發的裂紋窄，見圖４。這是由于管線鋼的晶粒大小隨著鋼的級別的上升而下降，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，夾雜物能譜分析結果見表４。圖６（ａ）中所標示的圓形夾雜物Ｘ１００Ａ為鐵的碳化物，與Ｘ６０鋼中的夾雜物Ｘ６０Ａ類似。據統計，Ｘ１００鋼的９個觀察表面中共有４處Ｘ１００Ａ夾雜，尺寸為３～６μｍ。圖６（ａ）中所標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上百個，尺寸均小于１μｍ。鉬元素能夠抑制多邊形鐵素體的轉變，促進高密度位錯亞結構的針狀鐵素體及Ｍ／Ａ組元的形成。圖６（ｂ）中所標示的白色多邊形夾雜物Ｘ１００Ｃ為Ａｌ-Ｃａ-Ｏ-Ｔｉ復合夾雜，據統計，在９個觀察表面中共存在４處，尺寸為１～５μｍ。這種夾雜物是在Ａｌ２Ｏ３夾雜的基礎上富集了其他元素，如鈣、錳等形成的復合型夾雜。其形態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，本來鋒利的多邊形Ａｌ２Ｏ３夾雜物會逐漸球化。圖６（ｃ）中所標示的方形黑色夾雜物Ｘ１００Ｄ為ＭｎＣａＳｉＭｇＯＳ復合型夾雜物，在Ｘ１００鋼的９個觀察表面存在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裂紋中外，鐵的碳化物、鈣化的Ａｌ-Ｏ-Ｔｉ夾雜以及更加復雜的Ｍｎ-Ｃａ-Ｍｇ-Ｓｉ-Ｏ-Ｓ復合夾雜均出現在粗裂紋中。可見，后三種夾雜物是造成裂紋擴展的主要夾物，而鉬元素的富集物對于裂紋擴展的作用不大。

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性能的同時，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和力學性能。１００鋼中出現了鉬的富集物、鈣化的ＡｌＯＴｉ夾雜以及更加復雜的ＭｎＣａＭｇＳｉＯＳ復合夾雜，這些區別于Ｘ６０鋼中的新型夾雜物對管線鋼ＨＩＣ性能產生的影響也有待于進一步研究。

３結論

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

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

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

（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鋼小一個數量級。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，出現了更復雜的多元素夾雜物，如ＭｎＣａＭｇＳｉＯＳ夾雜等，鉬元素的富集物對于裂紋擴展的作用不顯著。