發(fā)布日期：2025-12-20 15:34:17
工業(yè)純鈦擁有密度低、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)良的綜合性能，在航空航天、海洋工程、電子信息等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [1]。一般情況下，單向軋制板材會獲得縱向長條組織和橫向等軸組織，橫向和縱向組織的嚴(yán)重差異會導(dǎo)致力學(xué)性能的不一致性。純鈦在塑性變形過程中極易產(chǎn)生孿晶，由于大尺寸晶粒孿生應(yīng)力小，容易形成孿晶，促使塑性變形，因此強度較低 [2-3]。純鈦板材在軋制過程中形成的變形孿晶使晶體的取向發(fā)生改變，也會影響板材各向異性 [4]。在塑性變形過程中，位錯塞積形成的應(yīng)力集中促使裂紋的萌生，更容易在粗大晶粒上擴展，同時較為粗大的組織有利于位錯滑移的連續(xù)進(jìn)行，造成變形的不均勻，在測試和使用過程中會嚴(yán)重影響材料的力學(xué)性能和疲勞性能 [5-6]。而孿晶的產(chǎn)生會促使晶體發(fā)生轉(zhuǎn)動，使滑移繼續(xù)進(jìn)行，從而使應(yīng)力釋放，削弱裂紋的萌生，表現(xiàn)出更好的塑性 [7]。純鈦在軋制過程中極易形成形變織構(gòu)，而織構(gòu)分布狀態(tài)或織構(gòu)類型會對材料各向異性產(chǎn)生強烈的影響 [8]。由軋制產(chǎn)生的織構(gòu)通過影響 Schmidt 因子來影響塑性變形過程中激活的變形機制，如位錯滑移和孿晶，且隨加載方向而變化，致使力學(xué)性能表現(xiàn)出各向異性 [9]。不同軋制方式對工業(yè)純鈦織構(gòu)特征有很大的影響。室溫下交叉軋制會促進(jìn) ( 0001 ) ＜ 1010 ＞ 、( 0001) ＜ 1120 ＞ 基面織構(gòu)的形成，該織構(gòu)提高了六方晶粒厚度方向的變形阻力，降低了板材的各向異性。而單向軋制時，錐面
根據(jù)以上國內(nèi)外對純鈦性能的研究可以看出，純鈦的力學(xué)性能同時受到晶粒尺寸和織構(gòu)的影響，交叉軋制可以有效降低板材組織和織構(gòu)的橫向和縱向差異，從而獲得各向相同的力學(xué)性能，但該方法并不適用于工程化生產(chǎn)。本文以 TA1 純鈦為研究對象，對換向熱軋過程中不同變形分配下獲得的熱軋板材組織及力學(xué)性能進(jìn)行分析，確定適合工程化生產(chǎn)的純鈦板材熱軋變形分配制度。
1、試驗材料與方法
本研究以退火態(tài) TA1 純鈦板材為研究對象，其化學(xué)成分見表 1。該純鈦的相變點為 895℃。本研究對其進(jìn)行單向軋制和換向軋制試驗，單向軋制試驗是在 750℃下沿板材原軋制方向進(jìn)行熱軋，變形程度為 80%, 軋制完成后空冷。換向軋制試驗是在 750℃下沿板材原軋制方向進(jìn)行變形程度為 60% 的熱軋，然后進(jìn)行 90° 換向軋制，換向后的變形程度分別為 40%、50% 和 60%(累計變形量分別為 76%、80% 和 84%), 軋制完成后空冷，軋制示意圖如圖 1 所示。
表 1 工業(yè)純鈦 TA1 的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
| Fe | C | N | H | O | Ti |
| 0.01 | 0.004 | 0.003 | 0.008 | 0.033 | Bal. |
利用線切割沿 TA1 純鈦板橫向 (TD)、縱向 (RD) 切取尺寸 10mm×8mm 的金相試樣，按 GB/T 228.1-2021《金屬材料 拉伸試驗 第 1 部分：室溫試驗方法》切取 P7 拉伸試樣。利用拉伸試驗機對板材的室溫力學(xué)性能進(jìn)行測試，采用恒定應(yīng)變速率 ((1×10⁻³s⁻¹): 使用 GeminiSEM500 場發(fā)射掃描電鏡及其配備的 EBSD 裝置對板材的組織、織構(gòu)進(jìn)行 EBSD 表征，利用 AZtec 操作軟件采集 EBSD 測試試驗數(shù)據(jù)，利用 HKL Channel 5 數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1 組織和晶粒尺寸
圖 2 為單向熱軋 80% 變形量下 TA1 純鈦板橫向、縱向的 IPF 圖和晶粒尺寸分布。從圖 2 (a,b) 可以看出，橫向和縱向組織均為典型的軋制變形組織，拉長的變形組織周圍分布著大量細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，縱向長條組織明顯多于橫向且尺寸較大。從圖 2 (c,d) 可見，橫向和縱向平均晶粒尺寸分別為 0.69 和 0.84μm, 尺寸偏差為 22%, 而且縱向晶粒尺寸偏大，大尺寸晶粒占比也相對較高。這主要是由于軋制過程中晶粒在橫向和縱向上的受力不同。在橫向上主要受壓應(yīng)力，晶粒主要發(fā)生壓扁和破碎；在縱向上受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力共同作用，晶粒發(fā)生壓扁、拉長和破碎，使長條組織占比增大。同時，從圖 2 (a,b) 顏色分布可以看出，橫向和縱向的晶體取向存在明顯差異，橫向主要以接近紅色的過渡色為主，說明橫截面織構(gòu)偏向于 (0001) 基面織構(gòu)，而縱向主要以接近藍(lán)色的過渡色為主，說明縱截面織構(gòu)偏向于 (0110) 柱面織構(gòu)，再次說明熱軋變形存在明顯的晶體擇優(yōu)取向。晶粒尺寸差異和織構(gòu)差異共同導(dǎo)致了橫向和縱向性能的差異。
圖 3 為換向熱軋 60%+40% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的 IPF 圖和晶粒尺寸分布。從圖 3 (a,b) 可以看出，橫向和縱向的晶粒形貌差異明顯。從橫向較大晶粒長寬尺寸可知，橫截面變形晶粒形貌主要為壓縮型，長寬比較小；而縱向晶粒形貌主要為拉伸型，長寬比較大。另外，橫向和縱向上大小尺寸晶粒分布區(qū)域較為明顯，說明此時變形不均勻。由圖 3 (c,d) 可以看出，橫向和縱向平均晶粒尺寸差異較小，且各尺寸區(qū)間的晶粒占比較為相近。相較于單向熱軋，此時平均晶粒尺寸較大。這主要是由于在熱軋換向時短時間的加熱致使變形晶粒回復(fù)長大。同時，從圖 3 (a,b) 顏色分布可以看出，橫向依然以接近紅色的過渡色為主，但相較于單向軋制，藍(lán)色和綠色區(qū)域占比增加明顯，而縱向主要以接近藍(lán)色的過渡色為主，紅色和綠色晶粒占比相較于單向軋制有所增大，說明此時橫截面織構(gòu)依然以偏向于 (0001) 基面織構(gòu)為主，縱截面以偏向于 (0110) 柱面織構(gòu)為主，但相較于單向軋制，晶體取向相對較隨機。晶粒尺寸接近和晶體取向的隨機性增強使換向軋制板材橫向和縱向性能趨于一致。由于換向熱軋后的橫向?qū)?yīng)于換向前的縱向，而圖 3 (a) 與圖 2 (b) 的主要顏色正好相反，說明換向變形使晶體發(fā)生較大的轉(zhuǎn)動，晶體的 c 軸由垂直于 RD 方向向平行于 RD 方向的方向轉(zhuǎn)動。
圖 4 為換向熱軋 60%+50% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的 IPF 圖和晶粒尺寸分布。從圖 4 (a,b) 可以看出，橫向和縱向均為變形組織，仍存在個別粗大組織，相較于換向熱軋 60%+40% 變形量分配時，晶粒變形相對均勻。橫向以相對短小的變形晶粒為主，而縱向主要以細(xì)長的變形晶粒為主，這進(jìn)一步說明晶粒在橫向和縱向上的受力狀態(tài)不同。從圖 4 (c,d) 可以看出，橫向和縱向平均晶粒尺寸比較接近。從圖 4 (a,b) 顏色分布可以看出，相較于換向熱軋 60%+40% 變形量分配時，橫向的藍(lán)色區(qū)域明顯減少，為更趨近于紅色的過渡色，而縱向的紅色和綠色減少，接近于藍(lán)色的過渡色區(qū)域增加明顯。說明隨著換向熱軋變形量的增加，橫截面更加趨近于 (0001) 基面織構(gòu)，縱截面更加趨近于 (0110) 柱面織構(gòu)，進(jìn)一步說明晶體 c 軸向著與 RD 方向平行的方向轉(zhuǎn)動。此時 TA1 純鈦板的累積變形量為 80%, 與單向熱軋的變形量一致，對比發(fā)現(xiàn)，換向熱軋明顯減弱了橫向和縱向的晶粒尺寸差異。
圖 5 為換向熱軋 60%+60% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的 IPF 圖和晶粒尺寸分布。從圖 5 (a,b) 可以看出，橫向變形晶粒依然呈短小形態(tài)，大尺寸晶粒較多，呈現(xiàn)出區(qū)域性分布，而縱截面變形晶粒呈細(xì)長條狀且分布相對較均勻，晶粒尺寸相對細(xì)小，這主要還是由于晶粒在橫向和縱向上受力不同所致。從圖 5 (c,d) 可以看出，橫向和縱向平均晶粒尺寸仍比較接近。從圖 5 (a,b) 顏色分布可以看出，相較于換向熱軋 60%+50% 變形量分配時，橫向的藍(lán)色和綠色區(qū)域明顯減少，整體顏色更加趨向于紅色，而縱向的紅色和綠色區(qū)域減少或顏色變淺，整體上更加趨向于藍(lán)色。這說明隨著換向熱軋變形量的進(jìn)一步增加，晶體的 c 軸繼續(xù)向著與 RD 方向平行的方向轉(zhuǎn)動。
2.2 織構(gòu)
圖 6 為單向熱軋 80% 變形量下 TA1 純鈦板橫向、縱向的極圖和反極圖。從圖 6 (a,b) 可以看出，橫向和縱向織構(gòu)分布及峰值強度均存在較大差異。橫截面織構(gòu)主要分布在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) 20° 位置，最大峰值為 17.13; 縱截面織構(gòu)主要分布在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) 45° 附近位置和 ND 向 TD 偏轉(zhuǎn) ±20° 位置，最大峰值為 6.90, 同時在 {10$\overline{1}0} 極面 TD 附近存在較弱織構(gòu)。從圖 6 (c,d) 可以看出，橫向和縱向的織構(gòu)類型存在較大差異。橫截面織構(gòu)最大峰值出現(xiàn)在偏離 < 0001 > 方向 20° 附近位置，為平行于 ND 的織構(gòu)，最大峰值為 4.60, 同時存在較弱的 < 01\overline{1}$0>//TD 織構(gòu)；縱截面織構(gòu)最大峰值出現(xiàn)在 <0110> 方向，為 < 0110>//RD 織構(gòu)，最大峰值為 5.08; 同時存在偏離 < 0001 > 方向 20° 的平行于 ND 的較弱織構(gòu)。
圖 7 為換向熱軋 60%+40% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的極圖和反極圖。從圖 7 (a,b) 可以看出，橫截面最大峰值位置與單向熱軋時相同，出現(xiàn)在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) 20° 位置，但最大峰值有所下降，為 12.53。縱截面最大峰值出現(xiàn)在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) ±20° 位置，與單向熱軋時相比，{10$\overline{1}$0} 極面 TD 附近較弱織構(gòu)消失，最大峰值升高為 9.30。從圖 7 (c,d) 可以看出，橫向和縱向最大峰值均出現(xiàn)在 < 0001 > 方向，為 < 0001>//ND 織構(gòu)，最大峰值分別為 5.20 和 4.85, 在橫截面還存在較弱的 < 1 2 1 0>//TD 織構(gòu)。從整體看，換向軋制有效改善了橫向和縱向的織構(gòu)差異。
圖 8 為換向熱軋 60%+50% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的極圖和反極圖。從圖 8 (a,b) 可以看出，橫向和縱向的最大峰值出現(xiàn)的位置相同，均出現(xiàn)在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) - 30° 位置，最大峰值分別為 16.64 和 12.86。與換向軋制 60%+40% 變形量分配時相比，縱向的雙強峰織構(gòu)轉(zhuǎn)化為一強一弱的雙峰織構(gòu)，較弱的峰由 RD 向 TD 轉(zhuǎn)動 90°。從圖 8 (c,d) 可以看出，橫向和縱向的織構(gòu)取向分布較為一致，且與換向軋制 60%+40% 變形量分配時的取向分布基本一致，最大峰值分布位置相同，依然為 < 0001>//ND 織構(gòu)，最大峰值分別為 5.24 和 4.56。這說明換向軋制后橫向和縱向的織構(gòu)類型基本一致且織構(gòu)類型不會隨著變形量的增加而改變。
圖 9 為換向熱軋 60%+60% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的極圖和反極圖。從圖 9 (a,b) 可以看出，橫向和縱向的最大峰值出現(xiàn)位置相同，均出現(xiàn)在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) - 20° 位置，最大峰值分別為 11.37 和 7.64。與換向熱軋 60%+50% 變形分配量時相比，橫截面織構(gòu)開始在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉(zhuǎn) 20° 位置出現(xiàn)較弱的峰值，有形成雙峰織構(gòu)的趨勢。縱截面此趨勢更加明顯，同時在 RD 向 ND 偏轉(zhuǎn) 45° 附近位置存在相對較弱的峰。從圖 9 (c,d) 可以看出，橫向和縱向的取向分布一致，最大峰值分布位置相同，依然為 < 0001>//ND 織構(gòu)，最大峰值相近，分別為 5.35 和 5.16。結(jié)合圖 7 和圖 8 可以發(fā)現(xiàn)，隨著換向變形量的增加，橫向和縱向反極圖基本一致，取向的分布也基本不變，說明橫向和縱向上的織構(gòu)類型基本一致且織構(gòu)類型基本不隨變形程度而改變。
2.3 拉伸性能
圖 10 為單向熱軋和換向熱軋不同變形量分配下 TA1 純鈦板的室溫應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，各項力學(xué)性能如表 2 所示。從圖 10 (a) 可以看出，單向熱軋板材的橫向和縱向力學(xué)性能存在明顯差異，橫向抗拉強度和斷后伸長率較縱向低，而屈服強度高，其差值分別為 - 14MPa、35MPa 和 - 12.5%。結(jié)合圖 2 和圖 10 (a) 可知，橫向和縱向上晶粒尺寸及織構(gòu)的強烈差異共同造成了力學(xué)性能的差異。從圖 10 (b~d) 可以看出，換向熱軋后板材橫向和縱向上的力學(xué)性能異性得到明顯改善。在變形量分配為 60%+40%(累計變形量為 76%) 時，抗拉強度和屈服強度已經(jīng)趨于一致，其差值均為 2MPa, 但斷后伸長率差值較大，為 5.5%, 此時橫向表現(xiàn)出更加良好的力學(xué)性能。在變形量分配為 60%+50%(累計變形量為 80%) 時，橫向和縱向上應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線趨于一致，其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率的差值分別為 1MPa、2MPa 和 - 0.5%, 此時完全消除了板材橫向和縱向上的力學(xué)性能異性。而在變形量分配為 60%+60%(累計變形量為 84%) 時，橫向和縱向上再次表現(xiàn)出力學(xué)性能差異，其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率的差值分別為 5MPa、-7MPa 和 - 11%, 此時縱向表現(xiàn)出相對良好的力學(xué)性能。
表 2 不同變形量分配下 TA1 純鈦板的力學(xué)性能
| Rolling mode | Deformation assignment | Sampling direction | Rm/MPa | Rp0.2/MPa | A/% |
| One-way rolling | 80% | TD | 262 | 178 | 60.5 |
| RD | 276 | 143 | 73.0 | ||
| Reversing rolling | 60%+40% | TD | 253 | 156 | 75.5 |
| RD | 251 | 154 | 70.0 | ||
| 60%+50% | TD | 241 | 142 | 76.0 | |
| RD | 240 | 140 | 76.5 | ||
| 60%+60% | TD | 243 | 140 | 72.5 | |
| RD | 238 | 147 | 81.5 |
總體上看，換向熱軋板材橫向力學(xué)性能主要遺傳于換向前縱向的性能，在換向后變化不是很明顯，主要與組織的遺傳性有關(guān)；而換向熱軋主要改善板材的縱向性能，尤其是斷后伸長率的變化十分明顯，這主要是因為軋制變形明顯改變了板材縱向微觀組織結(jié)構(gòu)。結(jié)合換向軋制后橫向和縱向的晶粒尺寸分布、極圖和反極圖可知，換向軋制后橫向和縱向晶粒尺寸和織構(gòu)趨于一致，使橫向和縱向性能異性得到有效改善。在換向軋制熱軋 60%+50% 變形量分配時，橫向和縱向晶粒尺寸和晶粒取向分布均達(dá)到一致的狀態(tài)，因此促使 TA1 純鈦板的橫向和縱向應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線趨于一致。
3、結(jié)論
TA1 純鈦板材在單向軋制時，橫向織構(gòu)偏向基面織構(gòu)，縱向織構(gòu)偏向柱面織構(gòu)，晶粒尺寸和織構(gòu)差異導(dǎo)致橫向和縱向性能差異。經(jīng)過換向軋制后，橫向和縱向晶粒尺寸基本一致，同時橫向和縱向織構(gòu)類型也基本趨于一致，為 <0001>//ND 織構(gòu)，橫向和縱向上織構(gòu)類型基本一致且不隨變形程度改變。在換向熱軋 60%+50% 變形量分配時，橫向和縱向極圖和反極圖的取向密度分布表現(xiàn)出最好的一致性。
單向熱軋 TA1 純鈦板材橫向和縱向力學(xué)性能差異明顯，經(jīng)過換向熱軋后，板材橫向和縱向力學(xué)性能異性得到有效改善，但強度明顯下降。在換向熱軋 60%+50% 變形量分配時，橫向和縱向具有一致的力學(xué)性能。
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(注，原文標(biāo)題：換向軋制對TA1純鈦組織與性能一致性的影響）
tag標(biāo)簽:TA1純鈦,單向熱軋,換向熱軋,組織各向異性