發布日期：2026-4-22 9:27:01
工業純鈦具備低密度和優異的耐腐蝕性能，是理想的生物醫用植入材料[1]，但低塑性與低強度缺陷嚴重限制其廣泛應用。間隙原子(無論是人為添加還是自然存在)對鈦的力學性能影響顯著[2-8]。在各類間隙雜質元素中，氧因固溶強化效果顯著，被廣泛用于鈦合金以滿足不同應用需求[9-12]。
盡管氧在一定程度上可提升鈦合金強度，但會損害其塑性與韌性[13]。例如，氧含量(質量分數，全文同)增加約0.2%雖可使鈦的屈服強度提高數倍，但導致的塑性與韌性損失更為顯著[14]。針對氧調控鈦性能的機制，現有研究已獲關鍵突破。CHONG等[15]提出間隙洗牌機制(interstitial shuffling mechanism，ISM)，從原子尺度揭示了氧的行為:氧原子隨型位錯從八面體間隙“洗牌”至六面體間隙，誘發滑移從波浪狀轉為平面狀[16]。AMANN等[17]發現Ti6O型氧有序析出相可提升鈦合金的加工硬化率，使Ti-0.6O合金實現了強塑性平衡(800MPa抗拉強度+29%延伸率)，從而突破了氧導致塑性降低的固有認知。但上述研究仍存在核心空白亟待填補。CHONG等未涉及氧有序化對滑移系激活及Schmid因子(SF)的影響;而AMANN等雖指出了Ti6O型氧有序析出相對位錯運動的阻礙作用，卻未揭示其促進多滑移系協同激活的內在機理。HCP結構的α-Ti需多滑移系協同開啟以提升[c]軸方向的應變能力，但氧有序化如何通過調控Schmid因子主導滑移系的選擇，至今尚不明確。此外，現有強塑性平衡鈦氧合金或依賴高氧含量引入析出相，或僅激活單一滑移系，難以兼顧力學性能穩定性與工業化生產的低成本需求。
本研究聚焦0.12%~0.34%低氧含量工業純鈦，以氧有序化調控滑移系Schmid因子(SF)分布為核心思路，結合EBSD微觀表征與SF定量分析，探索氧有序化推動滑移系轉變和氧強韌化鈦的機制，為鈦氧合金的強塑性平衡設計提供理論依據。
1、實驗材料與方法
以工業純鈦(氧含量0.03%)與二氧化鈦(99.9%)粉末為原料，通過真空自耗電弧熔煉制備名義氧含量分別為0.12%、0.18%、0.34%的鈦鑄錠。采用Optima7000DV電感耦合等離子體發射光譜儀(ICP-OES)測定鑄錠中Ti、Al含量，LECOONH836氧氮氫分析儀(惰性氣體熔融-紅外吸收法)測定O、N、H含量，CS-2000碳硫分析儀測定C含量。每組試樣平行測量3次后取平均值，結果如表1所示。將鑄錠在800℃下均勻化處理30min，隨后在800mm二輥可逆軋機上進行熱軋(壓下率80%)，再經平整后于800℃退火3min，最終得到厚度為2mm的板材，作為后續測試材料。
采用Rigaku Mini-Flex600型X射線衍射儀(XRD)對純鈦試樣進行物相分析，CuKα輻射(λ=0.154 06 nm)，工作電壓40 kV、電流15 mA，掃描范圍20°~90°(2θ)，步長0.02°，掃描速度2(°)/min。采用HitachiS-4800掃描電子顯微鏡(SEM)、Oxford Nordly Max3電子背散射衍射儀(EBSD)進行微觀組織表征。試樣沿法向(ND)面與橫向(TD)面通過線切割切取，并進行研磨、拋光。試樣用Kroll試劑(49%HF、68%HNO3與H2O按1:3:6體積比配制)腐蝕后進行SEM觀察，并采用ImageJ圖像分析軟件統計晶粒尺寸，每組試樣至少統計5次取平均值。用于EBSD分析的試樣在上述機械拋光后，在70%HClO4與99%C2H5OH按8:92體積比配制的溶液中進行電解拋光，溫度-40℃，電壓30V，時間30s。采集的EBSD數據經Channel5軟件降噪處理后再進行分析。
室溫拉伸試驗在Instron 9657萬能試驗機上進行，加載速度為1mm/min，并采用YJJ-5/10引伸計監測應變。試樣沿軋制方向切取，標距段尺寸為50mm10mm2mm。由測試系統自動測定抗拉強度及延伸率。每組試樣平行測試3次以確保數據的可靠性。拉伸斷口形貌采用Hitachi S-4800掃描電鏡觀察。
表1所制備鈦鑄錠的化學成分
Table 1 Chemical composition of the as-prepared Ti ingots(w/%)
| 編號 | Onom | Oeq | C | N | H | Al | Ti |
| 1# | 0.12 | 0.125 | 0.004 | <0.002 | 0.0005 | 余量 | |
| 2# | 0.18 | 0.185 | 0.004 | <0.005 | 0.0011 | 余量 | |
| 3# | 0.34 | 0.345 | 0.004 | <0.007 | 0.0009 | 一 | 余量 |
2、實驗結果與分析
2.1氧含量對組織和物相的影響
圖1為1#(0.12%O)、2#(0.18%O)、3#(0.34%O)試樣在ND面與TD面的SEM晶粒形貌。由圖可見，所有試樣經熱機械加工與退火后，ND面與TD面的晶粒形貌均呈等軸狀，表明晶粒在RD、TD、ND三個方向上尺寸相近，為完全等軸狀a相晶粒，無柱狀晶、異常長大晶粒。隨著氧含量增加，平均晶粒尺寸呈單調減小趨勢:1#試樣約48μm，2#試樣約47μm，3#試樣約45μm(ImageJ軟件統計結果);同時，晶粒尺寸分布均勻性逐步提升。
圖2為不同試樣的XRD圖譜。由圖2可見，所有試樣僅出現α-Ti的特征衍射峰，無Ti6O、TiO等氧化物第二相衍射峰。這證實室溫下0.12%~0.34%的氧原子在a-Ti晶格中完全固溶，未超過a-Ti中氧的固溶度極限(~14%，質量分數)，排除了第二相對后續力學性能與變形機制分析的干擾，確保材料性能差異可歸因于氧的間隙固溶強化效應。
2.2氧含量對拉伸性能的影響
圖3為不同試樣的工程應力-應變曲線。由圖可見，試樣的抗拉強度隨氧含量的增加單調遞增:1#試樣為405MPa;2#試樣提升至538MPa，3#試樣進一步增至638MPa。這符合間隙固溶強化的基本規律:氧原子占據a-Ti八面體間隙產生晶格畸變，形成阻礙位錯運動的應力場;氧含量越高，晶格畸變越顯著，位錯運動阻力越強，強度提升越明顯。傳統認知中氧含量升高會導致純鈦塑性驟降，但本研究中1#試樣延伸率最高(~35%)，2#與3#試樣延伸率相近(分別約為30%、29.5%)，表明高氧含量的3#試樣未出現顯著塑性損失。
圖4為不同試樣的拉伸斷口形貌。由圖可見，1#試樣斷口呈現大量深而均勻的韌窩，未觀察到明顯的解理面或沿晶分離特征，為典型的韌性斷裂。這與其較低的抗拉強度(405 MPa)和較高的延伸率(~35%)完全匹配。由于氧含量較低，晶格畸變程度較小，對位錯的釘扎作用較弱，位錯可自由運動并在晶內形成大量微孔，最終通過微孔聚集實現韌性斷裂。該斷裂模式符合低強度工業純鈦的典型韌性斷裂特征。2#試樣的斷口呈現準解理特征，為韌性斷裂與脆性斷裂的混合模式，在明顯的解理面旁邊分布少量淺韌窩，這與其中等抗拉強度(538MPa)相對應。氧的固溶強化已使位錯運動受阻，部分區域因應力集中形成解理臺階，但仍保留一定的微孔聚集能力，故表現為韌脆混合斷裂[18-20]。3#試樣斷口以韌窩和微孔特征為主，解理面不明顯，為韌性斷裂特征。盡管其強度最高(638MPa)，但均勻的細小等軸晶結構使變形更分散，位錯在多晶界間的交互運動形成大量細小韌窩，避免了局部應力集中誘發的解理開裂。這一斷裂行為也與其優異的加工硬化能力相呼應:加工硬化抑制了局部頸縮，延緩了微孔的過早聚集，從而在獲得高強度的同時保留了良好的塑性。
2.3氧含量對織構演變及滑移行為的影響
圖5為2#、3#試樣拉伸前后的EBSD取向圖(IPF圖)。由圖5(a,c)可見，拉伸變形前，兩試樣均呈現典型的完全再結晶 α-Ti織構特征。由圖5(b,d)可見，拉伸變形后，兩試樣初始基面織構均發生部分旋轉:2#試樣旋轉更顯著，向柱面{10}與一階錐面{10}方向過渡，取向擴展范圍較大;3#試樣則更大程度地保留基面織構，僅向錐面方向發生局部旋轉[21]。這一差異可能與氧含量不同有關:較低氧含量(2#)有利于非基面滑移系啟動，促進織構旋轉;較高氧含量(3#)則因固溶強化效應抑制非基面滑移，使基面滑移占主導。變形后兩試樣晶粒均沿拉伸方向明顯變長，表明變形以位錯滑移為主導機制，無明顯晶粒斷裂特征[22-24]。
圖6為2#、3#試樣拉伸變形前后{0001}、{10}、{10}1}面的極圖。由圖6(a,b)可見，拉伸變形前，兩試樣均呈現強基面織構[25-26]，
圖7為2#、3#試樣4個滑移系的Schmid因子(SF)分布圖和統計圖。由圖7(e)可見，拉伸前2#試樣柱面({10}<1120>)滑移系SF最高(0.44)，在變形過程中易于優先啟動;3#試樣該滑移系SF顯著降低(0.23)，而基面({0001}<1120>)滑移系SF略高(0.40)，潛在滑移系向基面傾斜。由圖7(f)可見,拉伸后,2#試樣基面滑移系SF保持較高水平(0.40),成為實際主導滑移系;3#試樣柱面滑移系SF進一步降低(0.22)，基面滑移系SF仍處于較高水平(0.33)，表明該滑移系具備有利的分切應力條件，3#在變形全過程中始終保持較高基面滑移活性。此外，3#試樣拉伸后，一階錐面({1011}<1120>)滑移系與二階錐面 +一階錐面+二階錐面 滑移系的SF分布最為集中且數值最高，3#試樣基面滑移系的SF最高;拉伸后，2#試樣基面滑移系的 SF最高，3#試樣基面滑移系的 SF與錐面滑移系更為接近,進一步印證了多滑移系協同激活的變形機制。這種差異與氧含量密切相關:高氧含量(3#)在強化基面滑移的同時，也促進了二階錐面
氧原子的動態有序化行為為鈦合金性能優化提供了關鍵調控路徑。在初始狀態下，氧原子隨機占據純鈦HCP晶格的八面體間隙。在型螺位錯的應力場驅動下，氧原子通過間隙洗牌機制(ISM)有序遷移至六面體間隙，形成動態有序化分布。該有序化行為對滑移系的啟動產生雙重調控效應:一方面可實現滑移面軟化,為位錯運動提供定向通道,從而改變不同滑移系的臨界分切應力(CRSS);另一方面，氧原子有序占位與位錯的協同作用能精準調控滑移能壘與釘扎強度，進而影響各滑移系的Schmid因子(SF)分布。高氧含量下氧的有序化傾向更強，通過調控局部應力場抑制非基面滑移的啟動，使基面滑移占主導，從而提升織構穩定性;同時，二階錐面
3、結論
1)氧有序化行為是調控a-Ti滑移系演變的核心機制。該行為通過改變各滑移系的Schmid因子(SF)分布，推動滑移系啟動模式從“柱面滑移系優先啟動”向“基面+一階錐面+二階錐面
2)通過精準調控氧含量(0.34%O)實現了鈦氧合金強塑性平衡的性能突破:所制備試樣的抗拉強度達638MPa、延伸率為29.5%，該性能組合顯著優于0~0.30%氧含量區間的傳統純鈦。此精準控氧策略無需依賴合金化或復雜熱處理，為生物醫用、輕量化結構等對材料綜合性能有嚴苛要求的領域，提供了兼具經濟性與可行性的工業化技術方案。
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（注，原文標題：氧含量對工業純鈦組織性能及變形機制的影響_張鵬明）