文献解读：氢与显微组织的作用——X65管线钢裂纹演化的微观视角
在“双碳”战略背景下，氢掺混天然气管道被认为是兼具安全性与经济性的氢气输送途径。然而，氢会显著加速裂纹扩展并降低疲劳寿命，氢脆与氢致开裂问题对高压长距离管道的结构完整性构成潜在威胁。现有研究多集中于交变载荷下的裂纹扩展阶段，缺乏对裂纹萌生—扩展全过程的系统分析，且氢与显微组织对裂纹尖端塑性区的应力集中分布规律尚未明确。这些不足制约了氢环境下管道钢损伤容限设计和寿命预测的精度。
针对上述问题，Lv等人系统开展了空气与氢气环境下X65管线钢裂纹萌生、扩展及偏转行为的疲劳寿命试验与多尺度显微表征，给出了ΔKth的近似理论值，揭示了铁素体/珠光体比例、第二相析出、夹杂物特征等显微组织因素在氢脆过程中的作用机制，并结合氢增强局部塑性（HELP）与氢增强去黏结（AIDE）理论解析了裂纹尖端微观失效模式。
实验设备与样品如图1所示，主要实验有低周疲劳试验（ISO 1099）、裂纹扩展实验（ASRM E647），显微表征涉及OM、SEM及EBSD等技术。
图1. 设备和材料：（a）Instron 8801试验机和压力容器系统；（b）用于疲劳裂纹扩展（FCG）的紧凑拉伸（CT）试样；（c）夹在CT样本上的引伸计；和（d）用于疲劳寿命试验的缺口试样
X65管线钢的金相图如图2所示。
图2. 使用光学显微镜观察X65管线钢的金相图像
在空气和1MPa氢气环境中以最大抗拉强度的0.5倍为载荷进行恒载疲劳寿命试验，结果如图3所示，发现在氢气环境中裂纹的萌生和扩展过程被大大缩减，这表明氢的存在加速了材料疲劳抗力的退化，从而显著降低了疲劳寿命。
图3. X65管线钢在空气和1MPa氢气环境中的疲劳寿命
X65管线钢疲劳断口SEM分析如图4所示：空气环境下裂纹萌生区孔洞多，裂纹源丰富，瞬断区大且近圆；氢气环境裂纹源少，萌生快，无孔洞，裂纹扩展接近失稳，伴有准解理和二次微裂纹，显著缩短疲劳寿命。对比发现，材料的疲劳寿命显著降低，这归因于氢的双重作用：既缩短了裂纹萌生时间，又加速了裂纹向失稳扩展阶段的转变。
图4. X65管线钢在空气环境（a）-（c）和 1MPa氢气环境（d）-（f）下的疲劳断口形貌
如图5所示，相较于空气环境，1MPa氢气环境中X65管线钢的疲劳裂纹扩展速率显著提升。尤其在ΔK>17MPa·m¹ᐟ²时加速明显，最大裂纹扩展速率约为空气环境的20倍。氢环境使裂纹萌生寿命减少71.3%，裂纹扩展阶段后期裂纹增长速率大幅提升，表明氢显著降低了材料疲劳性能，加速裂纹扩展过程。
图5. X65管线钢在不同环境下的疲劳性能曲线：（a）裂纹扩展速率曲线；和（b）作为循环次数函数的裂纹长度
相关研究表明，X65管线钢的疲劳裂纹萌生过程受到显微组织中微观缺陷的显著影响。从（图6、7、8）各显微表征观察发现，裂纹通常起始于材料中央区域富集的硅夹杂物，夹杂物聚集形成的硬质带状区，易成为应力集中源。在循环载荷的作用下，材料表面产生滑移台阶，滑移带成为裂纹形核的前提，进一步促进微裂纹的产生并沿裂纹中心向两侧逐渐扩展。
而在氢气环境中，裂纹萌生表现出更加均匀分布的微裂纹特征，并伴随着典型的氢脆微观形貌，如小平台结构，这些特征在宏观断口处形成明显的弧形边界线，标志着裂纹扩展速率的快速转折。研究表明，氢气环境使裂纹萌生机制由传统的缺陷主导型逐渐转变为以滑移区裂纹扩展为主导，导致裂纹扩展速率显著加快，材料疲劳性能明显下降。
扫描电镜图（图9）显示，X65管线钢的疲劳裂纹扩展路径在不同应力强度因子（ΔK）水平下表现出明显差异。低ΔK时裂纹呈“Z”形明显偏折，主要沿铁素体相扩展；高ΔK时裂纹分支增多，珠光体相对裂纹尖端起到屏蔽和阻碍作用。氢气环境下裂纹扩展伴随大量缺陷生成，空位聚集形成孔洞，促进裂纹萌生和扩展。(图10、11）的EBSD分析证实，裂纹优先选择<001>取向晶粒进行穿晶扩展，而<101>取向晶粒阻碍其扩展进程。裂纹在大角度晶界处发生偏折时，常诱发显著的塑性变形与位错密度增加。氢气环境促进位错运动和局部塑性变形，导致微裂纹频发及晶界小角度晶格无序度提升，加速了裂纹的扩展过程。
EBSD图谱结果表明，X65管线钢在高应力强度因子（ΔK）下裂纹尖端会产生大量裂纹分支，塑性区内晶粒拉长且位错密集，裂纹主要沿<113>取向扩展。氢气环境中，裂纹尖端出现垂直主裂纹的分支裂纹及孔洞，裂纹偏折与循环载荷共同导致裂纹尖端钝化。<101>取向晶粒在氢环境中同样阻碍裂纹扩展，偏折裂纹多终止于<113>晶粒，且未引起明显变形。氢环境下裂纹尖端塑性变形范围更大且更复杂，晶粒畸变程度增加且分布呈对称性，表明氢致裂纹尖端塑性变形增强与晶格畸变是驱动裂纹复杂演化的关键因素。
综上多重微观表征表明，氢气环境显著降低了X65管线钢的疲劳寿命，裂纹萌生和扩展均加速。氢环境下裂纹扩展速率最高达空气环境的20倍以上，裂纹萌生模式由夹杂物引发转为滑移区裂纹。高应力强度下，裂纹以混合的穿晶和沿晶方式扩展，且氢促使局部塑性变形和微裂纹生成。氢气环境中裂纹尖端存在多个应力集中区，裂纹偏折加剧裂纹萌生与扩展过程，加速材料失效。
