1、引(yin)言(yan)
工(gong)业(ye)纯钛因(yin)成(cheng)本(ben)低(di)、易(yi)于(yu)生产(chan)，是(shi)应用最(zui)为(wei)广泛的(de)钛(tai)及钛合金材(cai)料(liao)。工业纯(chun)钛(tai)中(zhong)α-Ti 合金(jin)是航空、船舶(bo)、化(hua)工等(deng)工业中常(chang)用(yong)的(de)一种，其杂质(zhi)含量(liang)对(dui)其冷(leng)加工(gong)性(xing)能及(ji)成(cheng)品材(cai)的机械(xie)性能(neng)有(you)很(hen)大的影响(xiang)。杂(za)质含(han)量增多(duo)可提高钛(tai)的(de)强度(du)而降(jiang)低(di)其(qi)塑性，质其一(yi)旦(dan)控(kong)制(zhi)不(bu)当，就(jiu)会(hui)使钛材的(de)性能得(de)不到(dao)保(bao)障，甚(shen)至(zhi)使(shi)钛(tai)的铸锭或(huo)坯(pi)料无法加工成(cheng)材(cai)、造成(cheng)废(fei)品。由此(ci)可(ke)见杂(za)质元(yuan)素(su)含量(liang)对钛材机械(xie)性能影响(xiang)很(hen)大(da)。因(yin)此(ci)在工业纯钛的(de)生(sheng)产(chan)中，必须(xu)严格控(kong)制(zhi)钛材的杂质(zhi)含(han)量(liang)。某厂一(yi)批纯钛材在(zai)加工成不(bu)同(tong)规(gui)格(ge)的(de)钛丝(si)后，在(zai)后续(xu)的拉(la)丝(si)过(guo)程(cheng)中出现了脆(cui)断的(de)问(wen)题。根(gen)据现(xian)场情(qing)况(kuang)可知(zhi): 此批钛材经加(jia)工(gong)后只剩极少量(liang)的(de)钛(tai)锭锻(duan)压(ya)余料和(he)不(bu)同规(gui)格(ge)的(de)钛(tai)丝(si)，规格(ge)分别(bie)为(wei): Φ8. 0、Φ7. 0、Φ5. 5、Φ5. 0、Φ4. 5、Φ3. 0 不等。针对(dui)此(ci)情况，根(gen)据随(sui)机(ji)取样的方(fang)法(fa)取(qu)回失(shi)效(xiao)样(yang)品，按(an)照(zhao)直(zhi)径(jing)从(cong)大(da)到小分别(bie)对其编(bian)号(hao)为: a、b、c、d、e、f，对少量的(de)钛锭锻压(ya)编号(hao)为(wei)g，随(sui)后进行(xing)检验和分(fen)析(xi)。
2、 理(li)化(hua)检(jian)验(yan)
2. 1 化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)分析(xi)
根(gen)据GB/T 4698-2011《海绵钛、钛及钛合金化(hua)学分(fen)析(xi)方法(fa)》，使(shi)用电感耦合(he)等(deng)离子(zi)体光(guang)谱仪(yi)、碳硫(liu)联(lian)测(ce)仪(yi)、氧氮联测仪(yi)以(yi)及LECO 定氢仪(yi)分(fen)别(bie)对此批(pi)钛(tai)材进行(xing)化学(xue)成分分析，结果见(jian)表(biao)1。并依据(ju)国(guo)家标准(zhun)GB/T2965-2007《钛(tai)及(ji)钛(tai)合金棒(bang)材》附录B. 1 和GB/T 2524-2010《海绵钛》中表1 的(de)一级(ji)海(hai)绵钛(tai)元素要求(qiu)以(yi)及GB/T 3620. 1-2007《钛(tai)及(ji)钛合金(jin)牌号和化(hua)学成分(fen)》中工(gong)业(ye)纯钛的牌(pai)号及化(hua)学成(cheng)分的对应(ying)关系，对(dui)以(yi)下(xia)不(bu)同规(gui)格的(de)钛丝和锻(duan)压余料的(de)化学成分结(jie)果(guo)进行对(dui)比。
表1 纯钛(tai)丝化学(xue)成分含(han)量(liang)( 质(zhi)量分数(shu))从(cong)表(biao)1 可以(yi)看出: 所取(qu)纯(chun)钛(tai)丝中(zhong)a、b、c 处(chu)的(de)氮含量值不符(fu)合要(yao)求，且(qie)与标(biao)准(zhun)值相差(cha)较大(da)，而(er)e、f、g处未(wei)超(chao)出标准(zhun)值(zhi)要求，因此(ci)根据(ju)相(xiang)关的判定标准对(dui)以上三处不(bu)合格(ge)试样(yang)进(jin)行重(zhong)新(xin)试验，其(qi)化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi)结果(guo)见表2。
通过重(zhong)新(xin)试(shi)验结果可知: 数据(ju)一致(zhi)性较好(hao)，a、b、c 处纯钛(tai)丝(si)中(zhong)的(de)N 含量(liang)不符(fu)合(he)相关标(biao)准的要(yao)求。
2. 2 金相(xiang)检(jian)验(yan)
根据(ju)GB /T 5168-2008《钛(tai)及(ji)钛(tai)合(he)金(jin)高(gao)低(di)倍组(zu)织(zhi)检验(yan)方(fang)法》及(ji)GB /T 6394-2002《金属(shu)平(ping)均(jun)晶(jing)粒度(du)检(jian)测(ce)方(fang)法(fa)》( ASTM E112) ，利用型号为Axiovert200MAT的(de)显微(wei)镜对a、b、c、d、e、f 六(liu)只(zhi)试(shi)样进(jin)行(xing)显(xian)微组(zu)织(zhi)分(fen)析，结(jie)果(guo)见(jian)图1 和(he)图(tu)2。
从图1 可以看(kan)出(chu): 不(bu)同(tong)部(bu)位处纯(chun)钛丝(si)的(de)显(xian)微组织有(you)较(jiao)大(da)的区别(bie)，其(qi)中晶粒度(du)( G) 最细为(wei)e 处(chu)11. 0级，最(zui)粗为(wei)d 处5. 0 级(ji)，显微(wei)组(zu)织(zhi)明(ming)显(xian)不均(jun)匀。从(cong)图2 可知: 同一(yi)试(shi)样不同(tong)位置处(chu)的显微(wei)组织(zhi)还有(you)微(wei)裂纹(wen)，孔洞(dong)的缺(que)陷存(cun)在(zai)，其中裂纹长度最大(da)为e 处(chu)，达到740μm。
2. 3 力(li)学性(xing)能(neng)分析(xi)
根(gen)据(ju)GB /T 228. 1-2010《金(jin)属材(cai)料(liao)室温拉伸试(shi)验(yan)方(fang)法(fa)》，利(li)用(yong)型(xing)号为(wei)CMT5105 微(wei)机(ji)控(kong)制电子万(wan)能(neng)试(shi)验机(ji)对a、b、c、d、e 五处(chu)的纯(chun)钛(tai)丝(si)进行力(li)学性(xing)能检(jian)测(ce)( f 处(chu)的直(zhi)径仅为3. 0mm，车(che)去(qu)表(biao)面(mian)氧化皮后无(wu)法满足(zu)标准(zhun)对(dui)拉(la)伸试(shi)样(yang)长度(du)的(de)要(yao)求(qiu)，而(er)g 处(chu)的(de)钛锭锻压余(yu)料(liao)剩余(yu)较(jiao)少(shao)) 。其(qi)拉(la)伸后宏(hong)观断裂(lie)形(xing)貌(mao)如(ru)图3，力学性能测试(shi)结果(guo)如(ru)表(biao)3 所(suo)示，并(bing)依(yi)据GB /T 2965-2007《钛及(ji)钛(tai)合金棒材》中对纯(chun)钛的(de)力(li)学(xue)性能要(yao)求(qiu)，对测(ce)量(liang)结果(guo)进行(xing)比(bi)较(jiao)并(bing)分(fen)析(xi)。
通过(guo)试验结合图(tu)3 和(he)表3 可以(yi)知(zhi): a、b、c、d、e 五处试(shi)样(yang)均(jun)发生(sheng)脆(cui)性断(duan)裂(lie)，断(duan)裂前无(wu)明显(xian)的颈缩现(xian)象(xiang)，断裂(lie)位置(zhi)靠(kao)近试(shi)样的(de)中(zhong)部; 表(biao)3 中的力学(xue)性(xing)能(neng)结(jie)果也表明(ming)，此批(pi)纯(chun)钛丝(si)的(de)强度(du)值完全(quan)满(man)足(zu)标准(zhun)中的要求(qiu)，但(dan)断(duan)后(hou)伸长率(lv)和(he)断面(mian)收(shou)缩率(lv)与标准(zhun)值相(xiang)差较大，均不满(man)足(zu)标准(zhun)要求。
2. 4 断(duan)口微观(guan)形(xing)貌(mao)分(fen)析
利(li)用型(xing)号为(wei)JSM-6480 的(de)扫(sao)描(miao)电(dian)镜(jing)对拉伸(shen)试(shi)样(yang)断口进行分析，其结(jie)果如(ru)图(tu)4 所(suo)示(shi)。结(jie)果表(biao)明(ming)此批(pi)纯钛丝的微观(guan)断(duan)裂方(fang)式(shi)为解理断裂的(de)断(duan)口形(xing)貌(mao)，试(shi)样在断(duan)裂前(qian)并无(wu)明(ming)显的(de)塑性(xing)变形，发(fa)生了(le)脆性(xing)断裂。
3、综合分(fen)析(xi)
通(tong)过以(yi)上(shang)分析可(ke)知: 该批(pi)钛丝(si)的(de)化学成(cheng)分(fen)中(zhong)氮含量严重(zhong)超出(chu)相(xiang)关(guan)标(biao)准(zhun)的要求，金相(xiang)显微(wei)组织(zhi)也表明(ming)钛丝(si)的显(xian)微组织(zhi)极(ji)不(bu)均匀(yun)且(qie)晶(jing)粒度(du)有(you)较(jiao)大(da)的差(cha)异，同(tong)一样品(pin)还(hai)存(cun)在(zai)裂(lie)纹(wen)、孔(kong)洞(dong)等加(jia)工(gong)缺陷(xian)，力(li)学性(xing)能(neng)测(ce)试(shi)结果(guo)也表(biao)明该批(pi)钛(tai)丝(si)的(de)塑性性能(neng)不符(fu)合相(xiang)关(guan)标准的要求。
钛丝(si)脆断问(wen)题(ti)的(de)本质与(yu)其(qi)杂(za)质(zhi)含(han)量(liang)有(you)很(hen)大关(guan)系(xi)，因此了(le)解(jie)其杂质(zhi)来源(yuan)非常有(you)必要(yao)。在工(gong)业(ye)纯钛(tai)中杂(za)质元(yuan)素有(you)Fe、Si、O、N、H 等(deng)，这些(xie)杂(za)质(zhi)元素的含量对(dui)其成(cheng)品材料的(de)性(xing)能有(you)较(jiao)大的影(ying)响，而(er)且(qie)杂(za)质含(han)量(liang)一旦控(kong)制(zhi)不当(dang)就会使钛材性能(neng)得不到保障(zhang)，不(bu)但难(nan)以(yi)加(jia)工甚(shen)至还会(hui)造成断裂(lie)的危(wei)险; 由(you)于钛及钛合(he)金(jin)的(de)化(hua)学活(huo)性高(gao)，在加(jia)工(gong)过(guo)程(cheng)中(zhong)，会(hui)与大气(qi)中(zhong)的氧(yang)、
氮发(fa)生(sheng)剧(ju)烈(lie)反(fan)应，形成致密(mi)的(de)氧(yang)化(hua)层(ceng)和吸(xi)气(qi)层，并阻止(zhi)气(qi)体(ti)的再(zai)次渗入和氧化(hua)的发(fa)生(sheng)，因(yin)此(ci)钛丝(si)生(sheng)产(chan)过程(cheng)中，氧是(shi)作为(wei)添加(jia)元素(su)加(jia)入，而钛(tai)丝(si)中(zhong)氮主(zhu)要来源于海(hai)绵钛制(zhi)取(qu)过程中的(de)几个方面(mian):
1）还(hai)原-蒸(zheng)馏设备组装(zhuang)抽(chou)气，设备(bei)内残(can)留空(kong)气(qi)被钛(tai)吸收(shou);
2） 氩气中残(can)留的(de)氮全部(bu)被(bei)吸入(ru)钛中;
3）还(hai)原-蒸馏作业(ye)泄(xie)露(lu)的(de)气体，以(yi)及排(pai)放MgCl2等(deng)反应(ying)器(qi)出现负压时(shi)漏(lou)入(ru)的(de)气体(ti)，都会使钛(tai)的(de)氮含量增(zeng)高，漏(lou)气后(hou)海绵钛表面生(sheng)成黄(huang)色的氮(dan)化(hua)钛(tai)，较易识(shi)别。根据以上分(fen)析可知，
本次(ci)失效(xiao)样品钛丝中(zhong)氮(dan)的(de)来源(yuan)是(shi)海(hai)绵(mian)钛，因此可排除在后(hou)续加工(gong)过程中(zhong)氮的(de)进(jin)入。另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，从金属的塑性变形原(yuan)理(li)及相(xiang)关文(wen)献可(ke)知(zhi): 氮(dan)原子(zi)和(he)钛(tai)形(xing)成间隙(xi)固(gu)溶(rong)体，对位错的(de)滑移(yi)有(you)阻(zu)碍(ai)作(zuo)用，从而(er)使(shi)钛(tai)的强度(du)提高，塑(su)性下降，影响(xiang)其室温拉(la)伸(shen)等性能(neng); 而在间隙杂质中N 的强化(hua)作用最(zui)明(ming)显(xian)。研(yan)究表明: 氮(dan)含(han)量每(mei)增(zeng)加(jia)0. 1%，钛(tai)的强度(du)就(jiu)增(zeng)加(jia)290MPa，塑性降
低(di)10 ～ 20%，因此工(gong)业(ye)纯(chun)钛的(de)生(sheng)产中控制(zhi)间隙杂质的(de)含量很重(zhong)要(yao)。
根据以上的分析(xi)，再(zai)结合(he)本次(ci)试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)可知，本次失(shi)效样(yang)品的(de)钛(tai)丝中氮(dan)元素(su)含量超(chao)出标(biao)准(zhun)要求，严重(zhong)影(ying)响钛(tai)丝的(de)塑性性能，这(zhe)是导(dao)致(zhi)钛丝在(zai)加(jia)工(gong)过程(cheng)中强度(du)增(zeng)加，易开裂(lie)的主(zhu)要(yao)原因(yin); 而(er)金相显微组(zu)织(zhi)的(de)不均(jun)匀现(xian)象和(he)裂(lie)纹(wen)及(ji)空(kong)洞(dong)的缺陷(xian)，说明其(qi)加(jia)工(gong)工(gong)艺对钛(tai)丝的(de)脆(cui)断也(ye)有一(yi)定的影响; 断口(kou)形(xing)貌结果(guo)也(ye)进(jin)一步验(yan)证(zheng)了(le)钛(tai)丝(si)的微观断(duan)裂方(fang)式(shi)为(wei)解理断裂，说明钛(tai)丝(si)在断裂前未发(fa)生(sheng)明显(xian)的塑(su)性变形(xing)，这(zhe)与力(li)学性(xing)能(neng)测试(shi)结(jie)果相一(yi)致(zhi)。
4、结论
通(tong)过钛丝的(de)化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)、显微(wei)组织、力学(xue)性(xing)能及(ji)断(duan)口(kou)形貌的分析可(ke)知(zhi)此(ci)批(pi)钛丝(si)脆断(duan)的(de)主要(yao)原(yuan)因如下:
1）钛丝(si)中氮(dan)含量超出国家(jia)一(yi)级海绵(mian)钛的要求，其(qi)来(lai)源于钛的生(sheng)产(chan)过(guo)程中并(bing)非(fei)后(hou)续加(jia)工过程中(zhong);
2） 钛(tai)丝显微(wei)组织的不均匀性及(ji)加工(gong)缺陷是(shi)钛(tai)丝在(zai)加工过(guo)程中易(yi)开(kai)裂(lie)的原(yuan)因之(zhi)一;
3） 总体而(er)言(yan)，由于钛丝中氮(dan)含(han)量的(de)超标(biao)，导(dao)致了其加工强度(du)大(da)而(er)易开(kai)裂，最终导(dao)致钛(tai)丝(si)的脆断(duan)。
建议在(zai)生产纯钛(tai)过(guo)程中(zhong)严格(ge)控(kong)制杂质元(yuan)素氮(dan)，并适(shi)当调(diao)整(zheng)加工(gong)工艺(yi)，进(jin)一(yi)步改善(shan)显微(wei)组(zu)织以防脆(cui)断(duan)现象(xiang)产(chan)生。
相(xiang)关链(lian)接
