铁素体⁃珠光体型管线钢氢致裂纹扩展行为的多尺度机理研究

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2025.06.003

辽宁石油化工大学学报 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (6): 19-27.DOI: 10.12422/j.issn.1672-6952.2025.06.003

• 材料科学与新能源（氢能技术研究） • 上一篇下一篇

铁素体⁃珠光体型管线钢氢致裂纹扩展行为的多尺度机理研究

荣恒¹(), 徐涛龙¹(), 吉青山², 韩浩宇³, 刘立杰¹, 熊峰¹

^1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都 610500
^2.中国石油天然气股份有限公司大港油田分公司第三采油厂，河北沧州 061000
^3.中国航空油料有限责任公司重庆分公司，重庆 400000

收稿日期:2025-06-10 修回日期:2025-07-15 出版日期:2025-12-25 发布日期:2025-12-07
通讯作者: 徐涛龙
作者简介:荣恒（2002⁃），男，硕士研究生，从事材料失效的多尺度分析方面的研究；E⁃mail：2865068714@ qq.com。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(52374068)

Multi⁃Scale Mechanism Study on Hydrogen⁃Induced Crack Growth Behavior of Ferrite⁃Pearlite Pipeline Steel

Heng RONG¹(), Taolong XU¹(), Qingshan JI², Haoyu HAN³, Lijie LIU¹, Feng XIONG¹

^1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu Sichuan 610500，China
^2.Dagang Oilfield Branch Third Oil Production Plant，PetroChina Co. ，Ltd. ，Cangzhou Hebei 061000，China
^3.Chongqing Branch，China Aviation Fuel Co. ，Ltd. ，Chongqing 400000，China

Received:2025-06-10 Revised:2025-07-15 Published:2025-12-25 Online:2025-12-07
Contact: Taolong XU

摘要/Abstract

摘要：

揭示高强管线钢微细观尺度氢致裂纹扩展机理，对保障氢能运输安全具有重要的工程价值。针对铁素体-珠光体型管线钢中铁素体（α-Fe）与渗碳体（Fe₃C）共析形成的珠光体组织，建立具有Bagaryatskii晶相关系的铁素体-渗碳体界面模型，结合Voronoi多边形多晶模型与内聚力模型，系统分析了氢原子数分数、晶粒尺度、渗碳体终止面对管线钢临氢力学性能的影响。结果表明，在微观尺度下，随着氢原子数分数的增加，管线钢的临界界面张力明显降低，相较于无氢模型，氢原子数分数为2.5%和5.0%的模型的临界界面张力分别降低了约3.10%和7.50%，断裂能同样表现出下降趋势，渗碳体终止面按抗裂性能排序为C-Fe＞C-C＞Fe-Fe＞Fe-C；在细观尺度下，与无氢模型相比，当氢原子数分数增加到5.0%时，临界应力强度因子（K_IC）下降8.39%，裂纹长度增加12.06%，当平均晶粒面积从16 μm²细化至4 μm²时，K_IC上升31.38%，裂纹长度缩短17.30%，且终止面影响规律与微观结果一致。研究结果可为临氢环境下铁素体?珠光体型管线钢的本质安全评价及其适应性分析提供理论参考。

关键词: 铁素体?珠光体型管线钢, 铁素体?渗碳体界面, 氢原子数分数, 内聚力模型, 多尺度机理

Abstract:

Revealing the micro-and meso-scale hydrogen?induced crack propagation mechanism of high-strength pipeline steel holds significant engineering value for ensuring the safety of hydrogen energy transportation. In this study, a ferrite-cementite interface model with Bagaryatskii crystallographic relationship was established for the pearlite structure formed by eutectoid ferrite (α-Fe) and cementite (Fe₃C) in ferrite?pearlite pipeline steel. Combined with Voronoi polygon polycrystalline model and cohesive zone model, the effects of hydrogen atom number fractions, grain size and cementite termination surface on the mechanical properties of pipeline steel in a hydrogen environment were systematically analyzed. The results indicate that at the micro scale, with the increase of hydrogen atom number fractions, the critical interfacial tension of pipeline steel decreases obviously, which decreases by about 3.10% and 7.50% respectively at 2.5% and 5.0% hydrogen atom number fractions, and the fracture energy also shows a downward trend. The order of cementite termination surface according to crack resistance is C-Fe > C-C > Fe-Fe > Fe-C. At the meso-scale, the increase of hydrogen atom number fractions (5.0%) leads to a decrease of 8.39% in the critical stress intensity factor（K_IC） and an increase of 12.06% in the crack length. When the grain size is refined from 16 μm² to 4 μm², the K_IC increases by 31.38% and the crack length decreases by 17.30%. The influence of the termination surface is consistent with the microscopic results. This research provides a theoretical reference for the intrinsic safety evaluation and adaptability analysis of ferrite?pearlite pipeline steel in hydrogen environment.

Key words: Ferrite?pearlite pipeline steel, Ferrite?cementite interface, Hydrogen atom number fractions, Cohesion model, Multi?scale mechanism

中图分类号:

TE832

荣恒, 徐涛龙, 吉青山, 韩浩宇, 刘立杰, 熊峰. 铁素体⁃珠光体型管线钢氢致裂纹扩展行为的多尺度机理研究[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2025, 45(6): 19-27.

Heng RONG, Taolong XU, Qingshan JI, Haoyu HAN, Lijie LIU, Feng XIONG. Multi⁃Scale Mechanism Study on Hydrogen⁃Induced Crack Growth Behavior of Ferrite⁃Pearlite Pipeline Steel[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2025, 45(6): 19-27.

图/表 11

图1 渗碳体终止面类型

Fig.1 The type of cementite termination surface

图2 铁素体?渗碳体的示意图及实际建模图

Fig.2 Schematic diagram and modeling actual modeling diagram of ferrite?cementite

图3 有限元多晶模型的示意图

Fig.3 Schematic diagram of finite element polycrystalline model

图4 Fe?C终止面的T?S曲线及裂纹演化过程

Fig.4 T?S curve and crack evolution behavior of Fe?C termination surface

表1 不同终止面的内聚力参数

Table 1 Cohesion parameters of different termination surfaces

终止面类型	临界界面张力（T_max）/GPa	初始损伤位移（δ_in）/nm	刚度系数（K）×10^-7/(μN·μm^-3)	临界断裂能（G_c）/(J·m^-2)
Fe⁃Fe	10.928	0.106	10.031	7.315
Fe⁃C	10.900	0.118	9.237	7.554
C⁃Fe	11.723	0.118	9.934	8.299
C⁃C	11.701	0.134	8.731	8.228

图5 不同氢原子数分数的Fe?C终止面的T?S曲线

Fig.5 T?S curves of Fe?C termination surfaces with different hydrogen atom number fractions

表2 不同氢原子数分数的Fe?C终止面的内聚力参数

Table 2 Cohesive force parameters of Fe?C termination surfaces with different hydrogen atom number fractions

氢原子数分数/%

临界界面张力（T_max）/

GPa

初始损伤位移（δ_in）/

刚度系数（K）×10^-7/

(μN·μm^-3)

临界断裂能（G_c）/

(J·m^-2)

图6 晶粒面积为10 μm2的多晶紧凑拉伸试样模型的支反力曲线及应力分布云图

Fig.6 The reaction force curve and stress distribution map of the compact tensile specimen model with a grain area of 10 μm2

图7 不同氢原子数分数下模型的裂纹扩展曲线

Fig. 7 Crack propagation curves of the model under different hydrogen atom number fractions

图8 晶粒面积对临界应力强度因子及裂纹长度的影响

Fig.8 Effect of grain area on critical stress intensity factor and crack length

图9 终止面对临界应力强度因子及裂纹长度的影响

Fig.9 Effect of termination surface on critical stress intensity factor and crack length

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铁素体⁃珠光体型管线钢氢致裂纹扩展行为的多尺度机理研究

Multi⁃Scale Mechanism Study on Hydrogen⁃Induced Crack Growth Behavior of Ferrite⁃Pearlite Pipeline Steel

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