鈦及鈦合金因優(yōu)異的綜合性能而備受關(guān)注，其不僅具備出色的耐高溫和耐低溫特性，同時(shí)還具有密度低、比強(qiáng)度高等顯著優(yōu)勢(shì) [1-2]。這些特性使其成為軍工裝備、海洋工程、生物醫(yī)療以及化學(xué)工業(yè)等多個(gè)重要領(lǐng)域的關(guān)鍵材料 [3-4]。TA1 純鈦?zhàn)鳛橐环N常見(jiàn)的鈦材料，其強(qiáng)度性能較鈦合金低，但在保持與鈦合金相近耐腐蝕性能的同時(shí)，還展現(xiàn)出更為優(yōu)異的塑性優(yōu)勢(shì)，這種獨(dú)特的性能組合使其在化工設(shè)備制造、海洋工程結(jié)構(gòu)件、船舶零部件等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用 [5]。正是由于卓越的綜合性能和廣泛的應(yīng)用適應(yīng)性，TA1 純鈦已成為當(dāng)前工業(yè)界應(yīng)用最為普遍的鈦合金材料之一 [6]。

由于 TA1 純鈦應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，故目前關(guān)于 TA1 純鈦的研究已較多，但關(guān)于其塑性變形的研究仍然是熱點(diǎn)。曹曉等 [7] 研究了旋壓成形工業(yè)純鈦 TA1 的形變及退火行為，發(fā)現(xiàn)旋壓成形的工業(yè)純鈦 TA1 發(fā)生嚴(yán)重晶粒變形，應(yīng)變形式為軸向 / 切向拉伸和徑向壓縮；經(jīng) 540 ℃退火 60 min 即可完成再結(jié)晶，但隨著退火溫度升高和時(shí)間延長(zhǎng)，晶粒粗化，硬度降低。王旭等 [8] 研究了 TA1 純鈦平面各向異性變形行為及機(jī)制，發(fā)現(xiàn)圓柱試樣的流動(dòng)應(yīng)力呈現(xiàn)顯著取向依賴性，隨壓縮方向與軋制方向 (RD) 的夾角從 0° 增大至 90° 時(shí)，流動(dòng)應(yīng)力遞增；其中 RD-0° 和 RD-45° 試樣表現(xiàn)出較強(qiáng)應(yīng)變硬化能力，而 RD-90° 試樣的加工硬化率低且提前失效。岳旭等 [9] 研究了 TA1 純鈦冷軋變形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)軋制過(guò)程中隨著變形量的增加，TA1 純鈦織構(gòu) < 0001>//TD 取向強(qiáng)度先增強(qiáng)后減弱，基面雙峰織構(gòu)逐漸弱化；變形初期以壓縮孿晶為主，隨著軋制變形量由 10% 增至 80%，變形機(jī)制由孿生主導(dǎo)轉(zhuǎn)向滑移主導(dǎo)，位錯(cuò)密度持續(xù)升高。

雖然關(guān)于 TA1 純鈦塑性變形的研究較多，但多數(shù)研究主要聚焦于組織演變和晶體結(jié)構(gòu)，而關(guān)于該材料極圖以及施密特因子的研究鮮有報(bào)道。因此，本文選取 TA1 純鈦?zhàn)鳛檠芯繉?duì)象，對(duì)其進(jìn)行不同變形量的冷軋加工，研究軋制變形過(guò)程中組織演變、極圖以及施密特因子的變化規(guī)律，并測(cè)試其拉伸性能。

通過(guò)分析極圖演變與施密特因子的內(nèi)在關(guān)系，揭示變形織構(gòu)與滑移系激活行為之間的關(guān)聯(lián)，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究的不足。此外，在工程應(yīng)用層面，本研究建立的組織 - 織構(gòu) - 性能對(duì)應(yīng)關(guān)系，可為 TA1 純鈦板材的軋制工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1、實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)選用初始厚度為 6 mm 的退火態(tài) TA1 工業(yè)純鈦板材作為研究對(duì)象，經(jīng) Agilent 5800 型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀 (ICP-OES) 測(cè)定，其化學(xué)成分如下：0.21% Fe、0.03% C、0.001% N、0.001% H 和 0.12% O，其余為 Ti。軋制實(shí)驗(yàn)在 YE2 型軋機(jī)上進(jìn)行，采用室溫單道次軋制工藝，通過(guò)板材厚度設(shè)置軋制變形量分別為 0、10%、20% 和 30%。對(duì)軋制后的純鈦板材沿軋制方向進(jìn)行組織觀察和力學(xué)性能檢測(cè)，均從板材心部取樣。

采用 Axiomatic 型光學(xué)顯微鏡觀察純鈦板材的金相組織。通過(guò) SUPRA 55 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡自帶的電子背散射衍射探測(cè)器獲取材料晶體學(xué)信息，數(shù)據(jù)分析采用 Channel 5 軟件。拉伸性能測(cè)試在 INSTRON 5985 型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，主要測(cè)定材料的極限抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷后伸長(zhǎng)率。每組測(cè)試選取 3 個(gè)試樣取平均值以保證數(shù)據(jù)可靠性。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 金相組織

圖 1 為 TA1 純鈦板材經(jīng)不同變形量冷軋?zhí)幚砗蟮慕鹣嘟M織形貌。由圖 1 (a) 可見(jiàn)，原始板材的顯微結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)典型的熱軋退火態(tài)特征。首先，組織中晶粒尺寸分布較為均勻，幾何形態(tài)接近等軸狀，平均晶粒尺寸約為 43 μm；其次，晶界清晰完整，晶內(nèi)無(wú)明顯缺陷，且未觀察到孿晶結(jié)構(gòu)。該形貌說(shuō)明板材經(jīng)退火處理后，組織中的晶粒均勻形核與生長(zhǎng)，而無(wú)孿晶結(jié)構(gòu)證實(shí)初始狀態(tài)處于低應(yīng)變能狀態(tài)。如圖 1 (b) 所示，當(dāng)軋制變形量為 10% 時(shí)，組織中晶粒尺寸幾乎未發(fā)生明顯變化，平均晶粒尺寸約為 41 μm，其形貌仍然呈等軸狀，但晶粒內(nèi)部存在少量孿晶，說(shuō)明此時(shí)變形量尚未達(dá)到臨界孿生應(yīng)變閾值，位錯(cuò)滑移仍是主要的變形機(jī)制；少量孿晶的出現(xiàn)表明局部應(yīng)力集中區(qū)域已達(dá)到孿生所需分切應(yīng)力。由圖 1 (c) 可見(jiàn)，當(dāng)軋制變形量為 20% 時(shí)，組織產(chǎn)生較為明顯的變化，最為顯著的是孿晶數(shù)量增加，平均晶粒尺寸降低至 32 μm 左右。孿晶數(shù)量增加會(huì)分割原始晶粒，改變局部晶格取向，為更多滑移系的開動(dòng)創(chuàng)造條件，從而顯著增強(qiáng)孿生與滑移之間的協(xié)同變形能力 [10]。如圖 1 (d) 所示，當(dāng)軋制變形量為 30% 時(shí)，組織形貌已產(chǎn)生顯著變化，組織中孿晶數(shù)量增加明顯，平均晶粒尺寸進(jìn)一步減小至 15 μm 左右，且在組織中形成細(xì)小晶粒。此時(shí)，較高的變形量使組織中塑性應(yīng)變大量積累，更多晶粒達(dá)到孿生所需的臨界分切應(yīng)力，特別是當(dāng)位錯(cuò)滑移難以協(xié)調(diào)大變形時(shí)，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)使更多晶粒取向有利于孿生，且高位錯(cuò)密度區(qū)域產(chǎn)生局部應(yīng)力集中促進(jìn)孿晶形核，更多的孿晶界分割原始晶粒，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生細(xì)小晶粒 [11]。

2.2 織構(gòu)強(qiáng)度

為進(jìn)一步分析軋制變形量對(duì) TA1 純鈦板材內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)不同軋制變形量的試樣進(jìn)行極圖表征，結(jié)果如圖 2 所示。由圖 2 (a) 可見(jiàn)，原始板材的極圖呈現(xiàn)典型的 T 型織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度為 12.72；由圖 2 (b~d) 可見(jiàn)，在軋制變形量由 10% 增至 30% 的過(guò)程中，軋制試樣的極圖仍然呈現(xiàn) T 型織構(gòu)，但織構(gòu)強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì)，由 9.19 降至 5.30。

原始 TA1 純鈦板材呈現(xiàn)典型的 T 型織構(gòu)，這種初始織構(gòu)特征源于退火過(guò)程中形成的擇優(yōu)取向。隨著軋制變形量從 10% 增加至 30%，極圖仍保持 T 型織構(gòu)的總體特征，說(shuō)明織構(gòu)具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性。但織構(gòu)強(qiáng)度呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，這一現(xiàn)象主要源于三個(gè)方面的變形機(jī)制 [12]：首先，小變形階段 (10%) 以位錯(cuò)滑移為主導(dǎo)，位錯(cuò)滑移迫使晶粒發(fā)生幾何轉(zhuǎn)動(dòng)，使部分晶粒偏離原始擇優(yōu)取向，導(dǎo)致初始織構(gòu)強(qiáng)度開始降低；其次，隨著變形量增大 (20%)，孿生機(jī)制激活，孿生誘發(fā)晶粒 c 軸進(jìn)行轉(zhuǎn)向，進(jìn)一步破壞原始擇優(yōu)取向，導(dǎo)致晶粒取向發(fā)生改變，促使織構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)一步降低；最后，大變形量下 (30%) 多滑移系和孿生系統(tǒng)產(chǎn)生協(xié)同作用，孿生與滑移之間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制促使更多滑移系激活，加劇晶粒取向隨機(jī)化，進(jìn)一步降低織構(gòu)強(qiáng)度。織構(gòu)強(qiáng)度的持續(xù)減弱反映了材料內(nèi)部取向分布逐漸均勻化的過(guò)程。

2.3 拉伸性能

圖 3 為 TA1 純鈦板材經(jīng)不同變形量軋制處理后的拉伸性能曲線。由圖可見(jiàn)，隨著軋制變形程度的提高，TA1 純鈦板材的力學(xué)性能表現(xiàn)出顯著的強(qiáng)化效應(yīng)。未經(jīng)軋制的原始板材極限抗拉強(qiáng)度R_m為 310 MPa，屈服強(qiáng)度R_p0.2為 220 MPa；隨著軋制變形量增大至 30%，試樣強(qiáng)度逐漸提升，最高極限抗拉強(qiáng)度達(dá)到 450 MPa，屈服強(qiáng)度提升至 355 MPa。與此同時(shí)，板材的塑性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，斷后伸長(zhǎng)率 A 從原始板材的 26% 逐漸降低至 15%。

由圖 1 可知，在軋制過(guò)程中，純鈦板材組織中孿晶數(shù)量不斷增加。孿晶的形成增加了晶界的數(shù)量和面積，而晶界是材料中原子排列不規(guī)則的區(qū)域，其對(duì)材料的性能有著重要影響。增加晶界面積可提高材料的強(qiáng)度，因?yàn)榫Ы缒茏璧K裂紋擴(kuò)展，致使強(qiáng)度提高。此外，孿晶的形成可提高材料的應(yīng)變硬化能力，使材料在變形過(guò)程中抵抗進(jìn)一步變形的能力提升。隨著孿晶數(shù)量的增加，材料的應(yīng)變硬化能力也會(huì)增強(qiáng)，從而提高了材料的強(qiáng)度 [13]。也有研究 [14] 指出，孿晶的形成還會(huì)引發(fā)材料的應(yīng)力集中，使得材料在受到外力時(shí)能夠更有效地傳遞載荷，從而提高材料的整體強(qiáng)度。在軋制過(guò)程中，除孿晶這一形貌變化外，純鈦板材的晶粒逐漸細(xì)化，而細(xì)化的晶粒通常會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度提高。因?yàn)檩^小的晶粒能夠阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高材料抵抗變形的能力，表現(xiàn)為強(qiáng)度提高。

由圖 2 可知，在軋制過(guò)程中，純鈦板材的織構(gòu)強(qiáng)度不斷降低。織構(gòu)強(qiáng)度的降低有助于提高材料的整體強(qiáng)度，其主要機(jī)理在于：晶粒取向分布趨于隨機(jī)化，不同晶粒的滑移系取向分散，促使塑性變形更均勻；多個(gè)滑移系協(xié)同參與變形時(shí)，需更高外力才能驅(qū)動(dòng)塑性變形，從而提升強(qiáng)度 [15-16]。

2.4 施密特因子

板材的拉伸力學(xué)行為不僅取決于其組織形貌，更取決于晶粒取向分布，后者直接體現(xiàn)于織構(gòu)強(qiáng)度與施密特因子。不同取向晶粒的施密特因子差異直接影響滑移系的啟動(dòng)閾值。高施密特因子取向的晶粒意味著其滑移方向與外加應(yīng)力方向相對(duì)一致，因此在受到外力作用時(shí)，這些晶粒更容易發(fā)生滑移變形，導(dǎo)致局部塑性應(yīng)變集中。相對(duì)而言，低施密特因子取向的晶粒則較難發(fā)生滑移，因此在同樣的外力作用下，這些晶粒更可能維持彈性變形狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致材料內(nèi)部的變形不均勻性 [17]。已有文獻(xiàn) [18] 證實(shí)，施密特因子差異導(dǎo)致的非協(xié)調(diào)變形會(huì)顯著改變材料的宏觀應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)特征。因此，由施密特因子統(tǒng)計(jì)分布與拉伸性能的關(guān)系，能夠從微觀機(jī)制上闡釋 TA1 純鈦板材的變形特性與強(qiáng)化規(guī)律。

鈦及鈦合金的塑性變形行為主要由基面 {0001}<11-20 > 滑移系主導(dǎo) [19]。研究 [20] 表明，滑移系激活的難易程度與施密特因子密切相關(guān)。當(dāng)施密特因子較大時(shí)，滑移系處于有利取向，可在較低應(yīng)力作用下啟動(dòng)，使材料呈現(xiàn)較低強(qiáng)度；反之，較小的施密特因子意味著需要更大的臨界分切應(yīng)力才能引發(fā)滑移，從而增強(qiáng)材料強(qiáng)度。圖 4 展示了本研究對(duì) TA1 純鈦板材主要滑移系施密特因子的系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由圖 4 可知，基面滑移系的施密特因子在 0~0.5 范圍內(nèi)呈連續(xù)變化趨勢(shì)；不同變形程度的試樣展現(xiàn)出明顯的施密特因子分布特征差異。原始板材施密特因子在 0.4~0.5 高值區(qū)間的分布具有最大比例，而隨著變形量增加，該區(qū)間的占比呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。這一現(xiàn)象表明，原始板材中存在大量有利取向的晶粒，其滑移系更容易在外力作用下激活，從而解釋了未變形板材強(qiáng)度相對(duì)較低的內(nèi)在機(jī)理。

3、結(jié)論

1）TA1 純鈦板材的原始顯微組織中晶粒尺寸分布均勻，幾何形態(tài)接近等軸狀；冷軋變形后，板材的組織形貌產(chǎn)生顯著變化，隨著軋制變形量的增加，組織中孿晶數(shù)量逐漸增多，晶粒尺寸逐漸減小，且組織中形成細(xì)小晶粒。

2）原始板材的極圖呈現(xiàn)典型的 T 型織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度為 12.72；軋制變形量由 10% 增至 30% 的過(guò)程中，材料的極圖仍然呈現(xiàn) T 型織構(gòu)，但織構(gòu)強(qiáng)度呈降低趨勢(shì)，由 9.19 降至 5.30。

3）原始板材的極限抗拉強(qiáng)度R_m為 310 MPa，屈服強(qiáng)度R_p0.2為 220 MPa；經(jīng)冷軋變形加工后，其強(qiáng)度得到顯著提升，但塑性下降，隨著軋制變形量增大至 30%，極限抗拉強(qiáng)度逐漸升至 450 MPa，屈服強(qiáng)度逐漸升至 355 MPa，而斷后伸長(zhǎng)率從原始板材的 26% 逐漸降至 15%。

4）原始材料施密特因子在 0.4~0.5 高值區(qū)間的分布比例最大，而隨著軋制變形量增加，該區(qū)間的占比呈遞減趨勢(shì)，位錯(cuò)滑移較難發(fā)生，需更大的臨界分切應(yīng)力才能引發(fā)，表現(xiàn)為材料強(qiáng)度提升。

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（注，原文標(biāo)題：冷軋變形對(duì)TA1純鈦組織演變與拉伸性能的影響）

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tag標(biāo)簽:ta1鈦板,TA2鈦合金,TA1純鈦板材

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