发布日期：2026-4-22 9:27:01
工业纯钛具备低密度和优异的耐腐蚀性能，是理想的生物医用植入材料[1]，但低塑性与低强度缺陷严重限制其广泛应用。间隙原子(无论是人为添加还是自然存在)对钛的力学性能影响显著[2-8]。在各类间隙杂质元素中，氧因固溶强化效果显著，被广泛用于钛合金以满足不同应用需求[9-12]。
尽管氧在一定程度上可提升钛合金强度，但会损害其塑性与韧性[13]。例如，氧含量(质量分数，全文同)增加约0.2%虽可使钛的屈服强度提高数倍，但导致的塑性与韧性损失更为显著[14]。针对氧调控钛性能的机制，现有研究已获关键突破。CHONG等[15]提出间隙洗牌机制(interstitial shuffling mechanism，ISM)，从原子尺度揭示了氧的行为:氧原子随型位错从八面体间隙“洗牌”至六面体间隙，诱发滑移从波浪状转为平面状[16]。AMANN等[17]发现Ti6O型氧有序析出相可提升钛合金的加工硬化率，使Ti-0.6O合金实现了强塑性平衡(800MPa抗拉强度+29%延伸率)，从而突破了氧导致塑性降低的固有认知。但上述研究仍存在核心空白亟待填补。CHONG等未涉及氧有序化对滑移系激活及Schmid因子(SF)的影响;而AMANN等虽指出了Ti6O型氧有序析出相对位错运动的阻碍作用，却未揭示其促进多滑移系协同激活的内在机理。HCP结构的α-Ti需多滑移系协同开启以提升[c]轴方向的应变能力，但氧有序化如何通过调控Schmid因子主导滑移系的选择，至今尚不明确。此外，现有强塑性平衡钛氧合金或依赖高氧含量引入析出相，或仅激活单一滑移系，难以兼顾力学性能稳定性与工业化生产的低成本需求。
本研究聚焦0.12%~0.34%低氧含量工业纯钛，以氧有序化调控滑移系Schmid因子(SF)分布为核心思路，结合EBSD微观表征与SF定量分析，探索氧有序化推动滑移系转变和氧强韧化钛的机制，为钛氧合金的强塑性平衡设计提供理论依据。
1、实验材料与方法
以工业纯钛(氧含量0.03%)与二氧化钛(99.9%)粉末为原料，通过真空自耗电弧熔炼制备名义氧含量分别为0.12%、0.18%、0.34%的钛铸锭。采用Optima7000DV电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)测定铸锭中Ti、Al含量，LECOONH836氧氮氢分析仪(惰性气体熔融-红外吸收法)测定O、N、H含量，CS-2000碳硫分析仪测定C含量。每组试样平行测量3次后取平均值，结果如表1所示。将铸锭在800℃下均匀化处理30min，随后在800mm二辊可逆轧机上进行热轧(压下率80%)，再经平整后于800℃退火3min，最终得到厚度为2mm的板材，作为后续测试材料。
采用Rigaku Mini-Flex600型X射线衍射仪(XRD)对纯钛试样进行物相分析，CuKα辐射(λ=0.154 06 nm)，工作电压40 kV、电流15 mA，扫描范围20°~90°(2θ)，步长0.02°，扫描速度2(°)/min。采用HitachiS-4800扫描电子显微镜(SEM)、Oxford Nordly Max3电子背散射衍射仪(EBSD)进行微观组织表征。试样沿法向(ND)面与横向(TD)面通过线切割切取，并进行研磨、抛光。试样用Kroll试剂(49%HF、68%HNO3与H2O按1:3:6体积比配制)腐蚀后进行SEM观察，并采用ImageJ图像分析软件统计晶粒尺寸，每组试样至少统计5次取平均值。用于EBSD分析的试样在上述机械抛光后，在70%HClO4与99%C2H5OH按8:92体积比配制的溶液中进行电解抛光，温度-40℃，电压30V，时间30s。采集的EBSD数据经Channel5软件降噪处理后再进行分析。
室温拉伸试验在Instron 9657万能试验机上进行，加载速度为1mm/min，并采用YJJ-5/10引伸计监测应变。试样沿轧制方向切取，标距段尺寸为50mm10mm2mm。由测试系统自动测定抗拉强度及延伸率。每组试样平行测试3次以确保数据的可靠性。拉伸断口形貌采用Hitachi S-4800扫描电镜观察。
表1所制备钛铸锭的化学成分
Table 1 Chemical composition of the as-prepared Ti ingots(w/%)
| 编号 | 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、实验结果与分析
2.1氧含量对组织和物相的影响
图1为1#(0.12%O)、2#(0.18%O)、3#(0.34%O)试样在ND面与TD面的SEM晶粒形貌。由图可见，所有试样经热机械加工与退火后，ND面与TD面的晶粒形貌均呈等轴状，表明晶粒在RD、TD、ND三个方向上尺寸相近，为完全等轴状a相晶粒，无柱状晶、异常长大晶粒。随着氧含量增加，平均晶粒尺寸呈单调减小趋势:1#试样约48μm，2#试样约47μm，3#试样约45μm(ImageJ软件统计结果);同时，晶粒尺寸分布均匀性逐步提升。
图2为不同试样的XRD图谱。由图2可见，所有试样仅出现α-Ti的特征衍射峰，无Ti6O、TiO等氧化物第二相衍射峰。这证实室温下0.12%~0.34%的氧原子在a-Ti晶格中完全固溶，未超过a-Ti中氧的固溶度极限(~14%，质量分数)，排除了第二相对后续力学性能与变形机制分析的干扰，确保材料性能差异可归因于氧的间隙固溶强化效应。
2.2氧含量对拉伸性能的影响
图3为不同试样的工程应力-应变曲线。由图可见，试样的抗拉强度随氧含量的增加单调递增:1#试样为405MPa;2#试样提升至538MPa，3#试样进一步增至638MPa。这符合间隙固溶强化的基本规律:氧原子占据a-Ti八面体间隙产生晶格畸变，形成阻碍位错运动的应力场;氧含量越高，晶格畸变越显著，位错运动阻力越强，强度提升越明显。传统认知中氧含量升高会导致纯钛塑性骤降，但本研究中1#试样延伸率最高(~35%)，2#与3#试样延伸率相近(分别约为30%、29.5%)，表明高氧含量的3#试样未出现显著塑性损失。
图4为不同试样的拉伸断口形貌。由图可见，1#试样断口呈现大量深而均匀的韧窝，未观察到明显的解理面或沿晶分离特征，为典型的韧性断裂。这与其较低的抗拉强度(405 MPa)和较高的延伸率(~35%)完全匹配。由于氧含量较低，晶格畸变程度较小，对位错的钉扎作用较弱，位错可自由运动并在晶内形成大量微孔，最终通过微孔聚集实现韧性断裂。该断裂模式符合低强度工业纯钛的典型韧性断裂特征。2#试样的断口呈现准解理特征，为韧性断裂与脆性断裂的混合模式，在明显的解理面旁边分布少量浅韧窝，这与其中等抗拉强度(538MPa)相对应。氧的固溶强化已使位错运动受阻，部分区域因应力集中形成解理台阶，但仍保留一定的微孔聚集能力，故表现为韧脆混合断裂[18-20]。3#试样断口以韧窝和微孔特征为主，解理面不明显，为韧性断裂特征。尽管其强度最高(638MPa)，但均匀的细小等轴晶结构使变形更分散，位错在多晶界间的交互运动形成大量细小韧窝，避免了局部应力集中诱发的解理开裂。这一断裂行为也与其优异的加工硬化能力相呼应:加工硬化抑制了局部颈缩，延缓了微孔的过早聚集，从而在获得高强度的同时保留了良好的塑性。
2.3氧含量对织构演变及滑移行为的影响
图5为2#、3#试样拉伸前后的EBSD取向图(IPF图)。由图5(a,c)可见，拉伸变形前，两试样均呈现典型的完全再结晶 α-Ti织构特征。由图5(b,d)可见，拉伸变形后，两试样初始基面织构均发生部分旋转:2#试样旋转更显著，向柱面{10}与一阶锥面{10}方向过渡，取向扩展范围较大;3#试样则更大程度地保留基面织构，仅向锥面方向发生局部旋转[21]。这一差异可能与氧含量不同有关:较低氧含量(2#)有利于非基面滑移系启动，促进织构旋转;较高氧含量(3#)则因固溶强化效应抑制非基面滑移，使基面滑移占主导。变形后两试样晶粒均沿拉伸方向明显变长，表明变形以位错滑移为主导机制，无明显晶粒断裂特征[22-24]。
图6为2#、3#试样拉伸变形前后{0001}、{10}、{10}1}面的极图。由图6(a,b)可见，拉伸变形前，两试样均呈现强基面织构[25-26]，
图7为2#、3#试样4个滑移系的Schmid因子(SF)分布图和统计图。由图7(e)可见，拉伸前2#试样柱面({10}<1120>)滑移系SF最高(0.44)，在变形过程中易于优先启动;3#试样该滑移系SF显著降低(0.23)，而基面({0001}<1120>)滑移系SF略高(0.40)，潜在滑移系向基面倾斜。由图7(f)可见,拉伸后,2#试样基面滑移系SF保持较高水平(0.40),成为实际主导滑移系;3#试样柱面滑移系SF进一步降低(0.22)，基面滑移系SF仍处于较高水平(0.33)，表明该滑移系具备有利的分切应力条件，3#在变形全过程中始终保持较高基面滑移活性。此外，3#试样拉伸后，一阶锥面({1011}<1120>)滑移系与二阶锥面 +一阶锥面+二阶锥面 滑移系的SF分布最为集中且数值最高，3#试样基面滑移系的SF最高;拉伸后，2#试样基面滑移系的 SF最高，3#试样基面滑移系的 SF与锥面滑移系更为接近,进一步印证了多滑移系协同激活的变形机制。这种差异与氧含量密切相关:高氧含量(3#)在强化基面滑移的同时，也促进了二阶锥面
氧原子的动态有序化行为为钛合金性能优化提供了关键调控路径。在初始状态下，氧原子随机占据纯钛HCP晶格的八面体间隙。在型螺位错的应力场驱动下，氧原子通过间隙洗牌机制(ISM)有序迁移至六面体间隙，形成动态有序化分布。该有序化行为对滑移系的启动产生双重调控效应:一方面可实现滑移面软化,为位错运动提供定向通道,从而改变不同滑移系的临界分切应力(CRSS);另一方面，氧原子有序占位与位错的协同作用能精准调控滑移能垒与钉扎强度，进而影响各滑移系的Schmid因子(SF)分布。高氧含量下氧的有序化倾向更强，通过调控局部应力场抑制非基面滑移的启动，使基面滑移占主导，从而提升织构稳定性;同时，二阶锥面
3、结论
1)氧有序化行为是调控a-Ti滑移系演变的核心机制。该行为通过改变各滑移系的Schmid因子(SF)分布，推动滑移系启动模式从“柱面滑移系优先启动”向“基面+一阶锥面+二阶锥面
2)通过精准调控氧含量(0.34%O)实现了钛氧合金强塑性平衡的性能突破:所制备试样的抗拉强度达638MPa、延伸率为29.5%，该性能组合显著优于0~0.30%氧含量区间的传统纯钛。此精准控氧策略无需依赖合金化或复杂热处理，为生物医用、轻量化结构等对材料综合性能有严苛要求的领域，提供了兼具经济性与可行性的工业化技术方案。
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（注，原文标题：氧含量对工业纯钛组织性能及变形机制的影响_张鹏明）