TA15挤压管材断裂失效原因分析

文／李沛南，高可扬，曹琳，李笑，史文·宝鸡钛业集团有限公司

某钛加工公司TA15 挤压管材经热处理后，在压力矫直的过程中发生断裂，针对断裂失效的问题，采用金相显微镜、扫描电镜及能谱分析方法，对该管材进行了宏观形貌检查、显微组织检查、断口扫描分析及能谱成分定性分析，确定了该TA15 钛合金管材的失效模式及断裂原因。结果表明：该管材表面裂纹的产生是由于管材表面存在未处理干净的氧化皮从而导致出现了亮白层(表面污染层)，随后在矫直过程中，由于矫直辊与管材下压操作配合不当而导致管材表面被挤压变形，存在在管材表面的脆性层的薄弱区出现应力集中，从而出现裂纹，过载瞬间断裂。

TA15 钛合金，其名义成分为Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V，是前苏联20 世纪60 年代中期研制成功的一种通用型近α 型合金，由于该合金既具有α 型钛合金良好的热强性和可焊性，又具有接近于α+β 型钛合金的工艺塑性，及抗腐蚀能力强等特点，其管材在航天航空及核领域得到广泛应用，某钛材加工企业在TA15 管材经热处理后发生弯曲，随后进行了压力矫直，其工艺路线：将管材整体加热后在斜辊管材矫直机(七辊矫直机) 上进行矫直。工艺参数：矫直辊转速：120 转/分，主动辊倾角：24.6°，此批TA15 管材在压力矫直过程中管材突然发生断裂，本文通过对断裂的TA15 钛合金管材宏观检查，裂纹源处断口的宏观观察，断口SEM-EDAX分析以及金相组织分析，确定了该钛合金管材的失效模式，并对其断裂原因进行了分析。

理化检验

宏观断口形貌

图1 为挤压管材断口的整体宏观形貌图片，可以看出管材断口表面有清晰的断裂纹理，整个断口由外层裂纹源区开始，裂纹沿管材横向截面周向旋转分布扩展，直至瞬断区结束。根据裂纹扩展区“人”字形脊线的头部所指方向，判定图1 中所圈区域为裂纹源区，其具体形貌见图2。观察到，在管材断口的裂纹源区附近，出现了部分边缘变形区域，将其按图3 取样。从图4 可以看到，管材表面出现明显凹陷，由于管材在矫直过程中，施加一定下压量，使得管材承受一个向下的压力F1，同时有个向前的力F2，导致合力F 将管材表面压至凹陷，变形下压量为500μm左右。

图1 挤压管材断口宏观形貌

图2 裂纹源区具体形貌

图3 边缘变形区域取样

图4 管材表面凹陷

显微组织分析

如图5 的取样方法所示，在管材断口表面裂纹源区处取横(T)、纵(L)向试样，根据GB/T 5168-2020《钛及钛合金高低倍组织检验方法》，试样制备完全后，参照GB/T 23603-2009《钛及钛合金表面污染层检测方法》中表面污染层的腐蚀方法进行腐蚀。

图5 显微组织取样示意图

利用型号为Axiovert 200MAT 的显微镜观察其金相显微组织，图6 为不同放大倍数下管材边缘处横向(T)组织，图7 为不同放大倍数下管材断口边缘处纵向(L)显微组织，组织形貌为α ＋β 两相区加工组织，无完整的原始β 晶界，靠近外表层边缘的显微组织与内部组织无较大差异，但其断口边缘处出现明显的亮白层(表面污染层)，并且在亮白层外层覆盖了一层氧化皮，其中亮白层(表面污染层)最大厚度为58.9μm。如图8 所示，污染层表面还可观察到由少许向材料内部延伸的微小裂纹。如图9 所示，裂纹平均深度为12.1μm。

图6 不同放大倍数下管材边缘处横向组织

图7 不同放大倍数下管材边缘处纵向组织

图8 向材料内部延伸的微小裂纹

图9 平均深度为12.1μm 的裂纹

扫描电镜及能谱定性分析结果

结合宏观形貌检查及显微组织结果，利用型号为JSM-6480 的扫描电镜对管材的断口直接进行电镜扫描及能谱分析，观察断口形貌，用以分析断口处成分及断裂原因。分析、观察断口形貌，用以分析断口处成分及断裂原因。

图10 为管材断口裂纹源区整体形貌，可清晰看到裂纹由裂纹源区扩散至内部，在靠近管材表层可看到明显分层，该分层是由表面氧化皮和污染层构成，测量出层深平均为64.0μm，见图11。从图12 中可观察到，表层处出现少量河流花样，为解理断裂的典型形貌，所以该分层为脆性层。在脆性层中，可以看到有少量外来物夹杂，这些夹杂物主要分布于断裂造成的一些延伸到材料内部的微小裂纹中。

图10 管材断口裂纹源区整体形貌

图11 靠近管材表层可看到明显分层

图12 解理断裂的典型形貌

图13 为管材断口裂纹源区SEM 图，结合表1 各点能谱分析结果，该管材基体为TA15，图13 中2 处为向内延伸的微小裂纹，在靠近裂纹源边缘区存在氧化皮，且分层部位出现了外来物，根据表1 中3 处能谱分析可知，该外来物夹杂主要为氧化物，该部位的氧化物夹杂中有少量Mg、Fe、Ca 元素。

表1 图5 中各点能谱分析结果(质量分数，%)

图13 管材断口面SEM 图

图14 为管材断口扩展区域扫描电镜照片，可见材料断口扩展区分布着许多韧窝，故该管材截面扩展区断裂方式为韧性断裂。

图14 管材断口内部扫描电镜照片

综合分析

该挤压管热处理后弯曲，进行压力矫直过程中发生断裂。综合宏观形貌、显微组织、能谱定性和扫描电镜分析结果可知：

该断口的裂纹源区位于管材外表面边部，裂纹扩展，瞬断区沿管材横向截面周向旋转分布。该断裂方式，结合扫描电镜照片，在靠近管材表层有明显分层，该分层区是氧化皮与表面污染层构成的脆性层区域，且该区域出现了少量河流花样的解理断裂，而解理断裂常见于体心立方和密排六方金属及合金中，低温、冲击载荷和应力集中促使解理断裂的发生，通常是宏观脆性断裂。由裂纹源区扩展到断裂扩展区中，材料内部的扫描电镜照片中出许多韧窝，则该管材内部为韧性断裂。

管材的横、纵向显微组织均为α ＋β 两相区加工组织，无完整的原始β 晶界，靠近外表层边缘的显微组织与内部组织无较大差异，无明显组织变形，无夹杂、偏析等冶金缺陷，说明该管材的断裂并非显微组织异常引起。但经表面污染层检验，得到该管材有亮白层(表面污染层)，且外表层边缘出现了一些微小裂纹。在裂纹源区旁边有一处压痕区，变形下压量大概500μm 左右，原因为矫直过程中，施加了一个垂直向下的力与水平拉力，导致管材卡住，造成管材表面被挤压出凹痕。

综上所述，该管材在矫直前，内外表面均存在较厚的氧化皮，未将其去除清理完全，导致管材留存有亮白层(表面污染层)。在矫直过程中，由于矫直辊与管材压下配合不当，导致管材表面被挤压变形，存在在管材表面脆性层的薄弱区出现应力集中，出现裂纹，过载瞬间断裂。所以此次断裂并非是由于该管材成分、组织问题导致，而是管材矫直前未处理干净的表面所导致存在的亮白层(表面污染层)以及在矫直过程中操作不当引起的断裂。建议：首先在矫直前应将管材表面氧化皮清除完全；其次在矫直过程中应注意冷却，防止O、N、C 等元素扩散渗入产品表面，从而产生由α 稳定剂引起的污染，表面形成富集氧氮碳的硬而脆的污染层；最后合理掌控矫直时的挤压量，以避免发生此等断裂情况。

结论

⑴由于该管材在矫直前，内外表面均存在较厚的氧化皮，未进行去除清理，导致管材留存有亮白层(表面污染层)，平均厚度为58.1μm。

⑵该管材表面断裂源周围出现明显凹陷，原因是由于在矫直过程中，矫直辊与管材压下配合不当，导致管材表面被挤压变形，变形下压量约为500μm，在开裂源区周围，管材表面存在许多微小裂纹，其平均深度为12.1μm。

⑶管材表面被挤压变形区，为其表面的脆性层，由于力的作用，在脆性层的薄弱区出现应力集中，过载瞬间断裂，而管材断口内部扩展区分布着许多韧窝，故该管材内部断裂方式为韧性断裂。建议在矫直前将管材表面氧化皮清除完全，并在矫直过程中注意冷却，防止O、N、C 等元素进入导致的表面污染层；并合理掌控矫直时的挤压量，以避免发生此等断裂情况。