Michler T, Oesterlin H, Fischer C. Comparison of low cycle fatigue data of X52 pipeline steel in air and gaseous hydrogen using conventional and hollow specimen[J]. International Journal of Fatigue, 2025, 197: 108939.
Michler, Thorsten, Heiner Oesterlin, and Carl Fischer. "Comparison of low cycle fatigue data of X52 pipeline steel in air and gaseous hydrogen using conventional and hollow specimen." International Journal of Fatigue 197 (2025): 108939.
Michler, T., Oesterlin, H., & Fischer, C. (2025). Comparison of low cycle fatigue data of X52 pipeline steel in air and gaseous hydrogen using conventional and hollow specimen. International Journal of Fatigue, 197, 108939.
背景简介
传统的高压氢气疲劳试验多在容积巨大的高压釜中进行，虽能得到广泛接受的材料参数，却因试验成本高昂、长期测试难以维持恒温恒压的条件，以及难以满足严格的安全风险管控，大幅制约了试验效率和多组态条件下的数据获取。为降低试验用氢体积、简化安全流程、并实现多压—温条件的灵活切换，本文提出将试样设计为空心，在内部孔洞注入高压氢气，从而在普通实验室环境下即可开展高压氢气拉伸及疲劳性能测试，且已有研究表明，该空心试样（HS）在拉伸应力—应变响应上可与常规实心试样（CS）高度一致。本研究选用API 5L X52管线钢，在恒应变比Rε = 0.1、频率f = 0.1 Hz条件下，分别在空气和20 MPa高压氢气环境中对CS与HS进行低周疲劳测试，通过对比寿命曲线、循环应力—应变特征及断口形貌，评估HS在氢气环境下开展低周疲劳试验的可行性与可靠性，并为未来氢环境疲劳设计标准的制定提供高效、经济的试验技术路径。
成果介绍
（1）X52钢的微观结构包含带状铁素体（亮）和珠光体（暗），平均晶粒尺寸为11 µm。从空心拉伸试样的制造中可以知道，深孔钻孔会导致变形、强烈冷成型的表面区域。钻孔和钻孔+珩磨钻孔的结果如图1所示。两种制造路线的结果都是厚度约为5 µm的改性表面区域（图1a，b）。该表面区域的特征是边缘处的晶粒直径小于1 µm，随着距离边缘的距离增加，晶粒直径逐渐增大，直到体晶粒尺寸达到11 µm（图1c，d）。该区域可能是由于在钻孔操作过程中温度升高时塑性变形引起的再结晶而形成的。没有观察到钻孔和钻孔+珩磨钻孔之间的显著差异，这意味着后续的珩磨操作没有去除这种扭曲的层。
.png)
图1 钻孔和钻孔+珩磨钻孔周围的微观结构：a）和b）SEM背散射电子（BSE）显微照片，c）和d）EBSD图像质量（IQ）+粒度图。粒径（直径）单位为µm
（2）在环境空气中进行的试验的εa - N5图如图2所示。对于CS，达到5%载荷下降的循环次数（N5）随着应变幅度（εa）的减小而增加，斜率为2.19，如图2a所示。N5的平均散射为50%，即T_N = 1:1.5，这是此类试验的典型值。钻孔和珩磨HS的结果如图2b所示。钻孔和钻孔+珩磨的N数据落入相同的散射带，这意味着珩磨试样的较高表面粗糙度在给定的测试条件下不会导致较低的疲劳寿命。HS数据的分散度为30%（T_N = 1:1.3），因此与CS相比略小，斜率为2.25，与CS相当。CS和HS的数据如图2c所示。两个散射带都有很大的重叠，可以得出结论，在给定的测试条件下，在环境空气中测试的CS和HS产生了可比的εa - N5关系，尽管HS的表面粗糙度（系数10至20）明显高于CS。
在氢气中测试的HS结果如图3所示。N5数据显著散射约450%（T_N = 1:4.5），即几乎半个数量级。同样在这里，钻孔和珩磨的N5数据落入相同的散射带，这意味着珩磨试样的较高表面粗糙度不会导致较低的疲劳寿命。50%回归线的斜率为3.38（图3a）。与空气环境相比，εa = 0.8%时，疲劳寿命降低了约6倍，εa = 0.3%时，差异降低了约2倍。50%的回归线在大约6 × 104个周期处相交（图3b）。
.png)
图2 在环境空气中测试的CS和HS的应变寿命图，包括10%和90%的失效概率，R = 0.1。T_N和T_ε是散射参数，k是负逆斜率
.png)
图3 a）在20 MPa氢气中测试的HS的应变寿命图，包括10%和90%的失效概率，R = 0.1。T_N和T_ε是散射参数，k是负逆斜率；b）使用HS比较空气和20 MPa氢气中的应变寿命曲线
（3）使用循环应力—应变曲线根据应变-寿命图计算应力-寿命图。由于在0.3%至0.8%的应变范围内循环应力-应变曲线的斜率非常低，相应的σa - N5曲线在空气中的斜率很低（k ≈ 12.5）。由于在空气中测试的CS和HS的循环应力-应变曲线非常相似，与σa - N5曲线相比，σa - N5的曲线显示出相同的趋势，即CS和HS具有可比性的曲线（图4a）。在氢气中测试的HS的σa - N5曲线如图4b所示。由于氢效应随着应力的增加而增加，因此曲线的斜率（k ≈ 20）比空气低。许多文献报道了在氢气中测量的da/dN-ΔK结果，对于ΔK < 40 MPa·m0.5，这些结果在很大程度上与R（在R = 0.1和R = 0.5之间）、频率（在f = 0.1 Hz和f = 10 Hz之间）和氢气压力（在5.5 MPa和34 MPa之间）无关，因此可以获得足够多的数据来生成Paris曲线（图4c），该曲线代表了本研究中使用的测试条件，即R = 0.1、f = 0.1 Hz、20 MPa氢气压力。
.png)
图4 使用循环应力—应变曲线从应变-寿命图转换而来的应力-寿命图，用于a）在空气中测试的CS和HS；b）在20 MPa氢气中测试的HS。c）在氢气中测量的da/dN-ΔK数据作为所用模型的输入数据。d）绘图以确定所用模型的系数m和C
致谢
这项研究得到了德国联邦教育和研究部 (BMBF) 的财政支持，资助号为 03HY202F (TransHyDE) 和 03HY301F (H 2-Mare)。本文第一作者和通讯作者：Thorsten Michler（Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM）。
本期小编 姚辰霖（整理）
闵 琳（校对）
舒 阳（审核）
董乃健（发布）
|