1、引言

工業純鈦因成本低、易于生產，是應用最為廣泛的鈦及鈦合金材料。工業純鈦中α-Ti 合金是航空、船舶、化工等工業中常用的一種，其雜質含量對其冷加工性能及成品材的機械性能有很大的影響。雜質含量增多可提高鈦的強度而降低其塑性，質其一旦控制不當，就會使鈦材的性能得不到保障，甚至使鈦的鑄錠或坯料無法加工成材、造成廢品。由此可見雜質元素含量對鈦材機械性能影響很大。因此在工業純鈦的生產中，必須嚴格控制鈦材的雜質含量。某廠一批純鈦材在加工成不同規格的鈦絲后，在后續的拉絲過程中出現了脆斷的問題。根據現場情況可知: 此批鈦材經加工后只剩極少量的鈦錠鍛壓余料和不同規格的鈦絲，規格分別為: Φ8. 0、Φ7. 0、Φ5. 5、Φ5. 0、Φ4. 5、Φ3. 0 不等。針對此情況，根據隨機取樣的方法取回失效樣品，按照直徑從大到小分別對其編號為: a、b、c、d、e、f，對少量的鈦錠鍛壓編號為g，隨后進行檢驗和分析。

2、 理化檢驗

2. 1 化學成分分析

根據GB/T 4698-2011《海綿鈦、鈦及鈦合金化學分析方法》，使用電感耦合等離子體光譜儀、碳硫聯測儀、氧氮聯測儀以及LECO 定氫儀分別對此批鈦材進行化學成分分析，結果見表1。并依據國家標準GB/T2965-2007《鈦及鈦合金棒材》附錄B. 1 和GB/T 2524-2010《海綿鈦》中表1 的一級海綿鈦元素要求以及GB/T 3620. 1-2007《鈦及鈦合金牌號和化學成分》中工業純鈦的牌號及化學成分的對應關系，對以下不同規格的鈦絲和鍛壓余料的化學成分結果進行對比。

表1 純鈦絲化學成分含量( 質量分數)從表1 可以看出: 所取純鈦絲中a、b、c 處的氮含量值不符合要求，且與標準值相差較大，而e、f、g處未超出標準值要求，因此根據相關的判定標準對以上三處不合格試樣進行重新試驗，其化學成分分析結果見表2。

通過重新試驗結果可知: 數據一致性較好，a、b、c 處純鈦絲中的N 含量不符合相關標準的要求。

2. 2 金相檢驗

根據GB /T 5168-2008《鈦及鈦合金高低倍組織檢驗方法》及GB /T 6394-2002《金屬平均晶粒度檢測方法》( ASTM E112) ，利用型號為Axiovert200MAT的顯微鏡對a、b、c、d、e、f 六只試樣進行顯微組織分析，結果見圖1 和圖2。

從圖1 可以看出: 不同部位處純鈦絲的顯微組織有較大的區別，其中晶粒度( G) 最細為e 處11. 0級，最粗為d 處5. 0 級，顯微組織明顯不均勻。從圖2 可知: 同一試樣不同位置處的顯微組織還有微裂紋，孔洞的缺陷存在，其中裂紋長度最大為e 處，達到740μm。

2. 3 力學性能分析

根據GB /T 228. 1-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，利用型號為CMT5105 微機控制電子萬能試驗機對a、b、c、d、e 五處的純鈦絲進行力學性能檢測( f 處的直徑僅為3. 0mm，車去表面氧化皮后無法滿足標準對拉伸試樣長度的要求，而g 處的鈦錠鍛壓余料剩余較少) 。其拉伸后宏觀斷裂形貌如圖3，力學性能測試結果如表3 所示，并依據GB /T 2965-2007《鈦及鈦合金棒材》中對純鈦的力學性能要求，對測量結果進行比較并分析。

通過試驗結合圖3 和表3 可以知: a、b、c、d、e 五處試樣均發生脆性斷裂，斷裂前無明顯的頸縮現象，斷裂位置靠近試樣的中部; 表3 中的力學性能結果也表明，此批純鈦絲的強度值完全滿足標準中的要求，但斷后伸長率和斷面收縮率與標準值相差較大，均不滿足標準要求。

2. 4 斷口微觀形貌分析

利用型號為JSM-6480 的掃描電鏡對拉伸試樣斷口進行分析，其結果如圖4 所示。結果表明此批純鈦絲的微觀斷裂方式為解理斷裂的斷口形貌，試樣在斷裂前并無明顯的塑性變形，發生了脆性斷裂。

3、綜合分析

通過以上分析可知: 該批鈦絲的化學成分中氮含量嚴重超出相關標準的要求，金相顯微組織也表明鈦絲的顯微組織極不均勻且晶粒度有較大的差異，同一樣品還存在裂紋、孔洞等加工缺陷，力學性能測試結果也表明該批鈦絲的塑性性能不符合相關標準的要求。

鈦絲脆斷問題的本質與其雜質含量有很大關系，因此了解其雜質來源非常有必要。在工業純鈦中雜質元素有Fe、Si、O、N、H 等，這些雜質元素的含量對其成品材料的性能有較大的影響，而且雜質含量一旦控制不當就會使鈦材性能得不到保障，不但難以加工甚至還會造成斷裂的危險; 由于鈦及鈦合金的化學活性高，在加工過程中，會與大氣中的氧、

氮發生劇烈反應，形成致密的氧化層和吸氣層，并阻止氣體的再次滲入和氧化的發生，因此鈦絲生產過程中，氧是作為添加元素加入，而鈦絲中氮主要來源于海綿鈦制取過程中的幾個方面:

1）還原-蒸餾設備組裝抽氣，設備內殘留空氣被鈦吸收;

2） 氬氣中殘留的氮全部被吸入鈦中;

3）還原-蒸餾作業泄露的氣體，以及排放MgCl2等反應器出現負壓時漏入的氣體，都會使鈦的氮含量增高，漏氣后海綿鈦表面生成黃色的氮化鈦，較易識別。根據以上分析可知，

本次失效樣品鈦絲中氮的來源是海綿鈦，因此可排除在后續加工過程中氮的進入。另一方面，從金屬的塑性變形原理及相關文獻可知: 氮原子和鈦形成間隙固溶體，對位錯的滑移有阻礙作用，從而使鈦的強度提高，塑性下降，影響其室溫拉伸等性能; 而在間隙雜質中N 的強化作用最明顯。研究表明: 氮含量每增加0. 1%，鈦的強度就增加290MPa，塑性降  低10 ～ 20%，因此工業純鈦的生產中控制間隙雜質的含量很重要。

根據以上的分析，再結合本次試驗結果可知，本次失效樣品的鈦絲中氮元素含量超出標準要求，嚴重影響鈦絲的塑性性能，這是導致鈦絲在加工過程中強度增加，易開裂的主要原因; 而金相顯微組織的不均勻現象和裂紋及空洞的缺陷，說明其加工工藝對鈦絲的脆斷也有一定的影響; 斷口形貌結果也進一步驗證了鈦絲的微觀斷裂方式為解理斷裂，說明鈦絲在斷裂前未發生明顯的塑性變形，這與力學性能測試結果相一致。

4、結論

通過鈦絲的化學成分、顯微組織、力學性能及斷口形貌的分析可知此批鈦絲脆斷的主要原因如下:

1）鈦絲中氮含量超出國家一級海綿鈦的要求，其來源于鈦的生產過程中并非后續加工過程中;

2） 鈦絲顯微組織的不均勻性及加工缺陷是鈦絲在加工過程中易開裂的原因之一;

3） 總體而言，由于鈦絲中氮含量的超標，導致了其加工強度大而易開裂，最終導致鈦絲的脆斷。

建議在生產純鈦過程中嚴格控制雜質元素氮，并適當調整加工工藝，進一步改善顯微組織以防脆斷現象產生。

相關鏈接