TA15擠壓管材斷裂失效原因分析

文／李沛南，高可揚，曹琳，李笑，史文·寶雞鈦業集團有限公司

某鈦加工公司TA15 擠壓管材經熱處理后，在壓力矯直的過程中發生斷裂，針對斷裂失效的問題，采用金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜分析方法，對該管材進行了宏觀形貌檢查、顯微組織檢查、斷口掃描分析及能譜成分定性分析，確定了該TA15 鈦合金管材的失效模式及斷裂原因。結果表明：該管材表面裂紋的產生是由于管材表面存在未處理干凈的氧化皮從而導致出現了亮白層(表面污染層)，隨后在矯直過程中，由于矯直輥與管材下壓操作配合不當而導致管材表面被擠壓變形，存在在管材表面的脆性層的薄弱區出現應力集中，從而出現裂紋，過載瞬間斷裂。

TA15 鈦合金，其名義成分為Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是前蘇聯20 世紀60 年代中期研制成功的一種通用型近α 型合金，由于該合金既具有α 型鈦合金良好的熱強性和可焊性，又具有接近于α+β 型鈦合金的工藝塑性，及抗腐蝕能力強等特點，其管材在航天航空及核領域得到廣泛應用，某鈦材加工企業在TA15 管材經熱處理后發生彎曲，隨后進行了壓力矯直，其工藝路線：將管材整體加熱后在斜輥管材矯直機(七輥矯直機) 上進行矯直。工藝參數：矯直輥轉速：120 轉/分，主動輥傾角：24.6°，此批TA15 管材在壓力矯直過程中管材突然發生斷裂，本文通過對斷裂的TA15 鈦合金管材宏觀檢查，裂紋源處斷口的宏觀觀察，斷口SEM-EDAX分析以及金相組織分析，確定了該鈦合金管材的失效模式，并對其斷裂原因進行了分析。

理化檢驗

宏觀斷口形貌

圖1 為擠壓管材斷口的整體宏觀形貌圖片，可以看出管材斷口表面有清晰的斷裂紋理，整個斷口由外層裂紋源區開始，裂紋沿管材橫向截面周向旋轉分布擴展，直至瞬斷區結束。根據裂紋擴展區“人”字形脊線的頭部所指方向，判定圖1 中所圈區域為裂紋源區，其具體形貌見圖2。觀察到，在管材斷口的裂紋源區附近，出現了部分邊緣變形區域，將其按圖3 取樣。從圖4 可以看到，管材表面出現明顯凹陷，由于管材在矯直過程中，施加一定下壓量，使得管材承受一個向下的壓力F1，同時有個向前的力F2，導致合力F 將管材表面壓至凹陷，變形下壓量為500μm左右。

圖1 擠壓管材斷口宏觀形貌

圖2 裂紋源區具體形貌

圖3 邊緣變形區域取樣

圖4 管材表面凹陷

顯微組織分析

如圖5 的取樣方法所示，在管材斷口表面裂紋源區處取橫(T)、縱(L)向試樣，根據GB/T 5168-2020《鈦及鈦合金高低倍組織檢驗方法》，試樣制備完全后，參照GB/T 23603-2009《鈦及鈦合金表面污染層檢測方法》中表面污染層的腐蝕方法進行腐蝕。

圖5 顯微組織取樣示意圖

利用型號為Axiovert 200MAT 的顯微鏡觀察其金相顯微組織，圖6 為不同放大倍數下管材邊緣處橫向(T)組織，圖7 為不同放大倍數下管材斷口邊緣處縱向(L)顯微組織，組織形貌為α ＋β 兩相區加工組織，無完整的原始β 晶界，靠近外表層邊緣的顯微組織與內部組織無較大差異，但其斷口邊緣處出現明顯的亮白層(表面污染層)，并且在亮白層外層覆蓋了一層氧化皮，其中亮白層(表面污染層)最大厚度為58.9μm。如圖8 所示，污染層表面還可觀察到由少許向材料內部延伸的微小裂紋。如圖9 所示，裂紋平均深度為12.1μm。

圖6 不同放大倍數下管材邊緣處橫向組織

圖7 不同放大倍數下管材邊緣處縱向組織

圖8 向材料內部延伸的微小裂紋

圖9 平均深度為12.1μm 的裂紋

掃描電鏡及能譜定性分析結果

結合宏觀形貌檢查及顯微組織結果，利用型號為JSM-6480 的掃描電鏡對管材的斷口直接進行電鏡掃描及能譜分析，觀察斷口形貌，用以分析斷口處成分及斷裂原因。分析、觀察斷口形貌，用以分析斷口處成分及斷裂原因。

圖10 為管材斷口裂紋源區整體形貌，可清晰看到裂紋由裂紋源區擴散至內部，在靠近管材表層可看到明顯分層，該分層是由表面氧化皮和污染層構成，測量出層深平均為64.0μm，見圖11。從圖12 中可觀察到，表層處出現少量河流花樣，為解理斷裂的典型形貌，所以該分層為脆性層。在脆性層中，可以看到有少量外來物夾雜，這些夾雜物主要分布于斷裂造成的一些延伸到材料內部的微小裂紋中。

圖10 管材斷口裂紋源區整體形貌

圖11 靠近管材表層可看到明顯分層

圖12 解理斷裂的典型形貌

圖13 為管材斷口裂紋源區SEM 圖，結合表1 各點能譜分析結果，該管材基體為TA15，圖13 中2 處為向內延伸的微小裂紋，在靠近裂紋源邊緣區存在氧化皮，且分層部位出現了外來物，根據表1 中3 處能譜分析可知，該外來物夾雜主要為氧化物，該部位的氧化物夾雜中有少量Mg、Fe、Ca 元素。

表1 圖5 中各點能譜分析結果(質量分數，%)

圖13 管材斷口面SEM 圖

圖14 為管材斷口擴展區域掃描電鏡照片，可見材料斷口擴展區分布著許多韌窩，故該管材截面擴展區斷裂方式為韌性斷裂。

圖14 管材斷口內部掃描電鏡照片

綜合分析

該擠壓管熱處理后彎曲，進行壓力矯直過程中發生斷裂。綜合宏觀形貌、顯微組織、能譜定性和掃描電鏡分析結果可知：

該斷口的裂紋源區位于管材外表面邊部，裂紋擴展，瞬斷區沿管材橫向截面周向旋轉分布。該斷裂方式，結合掃描電鏡照片，在靠近管材表層有明顯分層，該分層區是氧化皮與表面污染層構成的脆性層區域，且該區域出現了少量河流花樣的解理斷裂，而解理斷裂常見于體心立方和密排六方金屬及合金中，低溫、沖擊載荷和應力集中促使解理斷裂的發生，通常是宏觀脆性斷裂。由裂紋源區擴展到斷裂擴展區中，材料內部的掃描電鏡照片中出許多韌窩，則該管材內部為韌性斷裂。

管材的橫、縱向顯微組織均為α ＋β 兩相區加工組織，無完整的原始β 晶界，靠近外表層邊緣的顯微組織與內部組織無較大差異，無明顯組織變形，無夾雜、偏析等冶金缺陷，說明該管材的斷裂并非顯微組織異常引起。但經表面污染層檢驗，得到該管材有亮白層(表面污染層)，且外表層邊緣出現了一些微小裂紋。在裂紋源區旁邊有一處壓痕區，變形下壓量大概500μm 左右，原因為矯直過程中，施加了一個垂直向下的力與水平拉力，導致管材卡住，造成管材表面被擠壓出凹痕。

綜上所述，該管材在矯直前，內外表面均存在較厚的氧化皮，未將其去除清理完全，導致管材留存有亮白層(表面污染層)。在矯直過程中，由于矯直輥與管材壓下配合不當，導致管材表面被擠壓變形，存在在管材表面脆性層的薄弱區出現應力集中，出現裂紋，過載瞬間斷裂。所以此次斷裂并非是由于該管材成分、組織問題導致，而是管材矯直前未處理干凈的表面所導致存在的亮白層(表面污染層)以及在矯直過程中操作不當引起的斷裂。建議：首先在矯直前應將管材表面氧化皮清除完全；其次在矯直過程中應注意冷卻，防止O、N、C 等元素擴散滲入產品表面，從而產生由α 穩定劑引起的污染，表面形成富集氧氮碳的硬而脆的污染層；最后合理掌控矯直時的擠壓量，以避免發生此等斷裂情況。

結論

⑴由于該管材在矯直前，內外表面均存在較厚的氧化皮，未進行去除清理，導致管材留存有亮白層(表面污染層)，平均厚度為58.1μm。

⑵該管材表面斷裂源周圍出現明顯凹陷，原因是由于在矯直過程中，矯直輥與管材壓下配合不當，導致管材表面被擠壓變形，變形下壓量約為500μm，在開裂源區周圍，管材表面存在許多微小裂紋，其平均深度為12.1μm。

⑶管材表面被擠壓變形區，為其表面的脆性層，由于力的作用，在脆性層的薄弱區出現應力集中，過載瞬間斷裂，而管材斷口內部擴展區分布著許多韌窩，故該管材內部斷裂方式為韌性斷裂。建議在矯直前將管材表面氧化皮清除完全，并在矯直過程中注意冷卻，防止O、N、C 等元素進入導致的表面污染層；并合理掌控矯直時的擠壓量，以避免發生此等斷裂情況。