發布日期：2025-12-15 21:00:09
鈦及鈦合金因優異的綜合性能而備受關注，其不僅具備出色的耐高溫和耐低溫特性，同時還具有密度低、比強度高等顯著優勢 [1-2]。這些特性使其成為軍工裝備、海洋工程、生物醫療以及化學工業等多個重要領域的關鍵材料 [3-4]。TA1 純鈦作為一種常見的鈦材料，其強度性能較鈦合金低，但在保持與鈦合金相近耐腐蝕性能的同時，還展現出更為優異的塑性優勢，這種獨特的性能組合使其在化工設備制造、海洋工程結構件、船舶零部件等領域獲得了廣泛應用 [5]。正是由于卓越的綜合性能和廣泛的應用適應性，TA1 純鈦已成為當前工業界應用最為普遍的鈦合金材料之一 [6]。
由于 TA1 純鈦應用領域十分廣泛，故目前關于 TA1 純鈦的研究已較多，但關于其塑性變形的研究仍然是熱點。曹曉等 [7] 研究了旋壓成形工業純鈦 TA1 的形變及退火行為，發現旋壓成形的工業純鈦 TA1 發生嚴重晶粒變形，應變形式為軸向 / 切向拉伸和徑向壓縮；經 540 ℃退火 60 min 即可完成再結晶，但隨著退火溫度升高和時間延長，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制，發現圓柱試樣的流動應力呈現顯著取向依賴性，隨壓縮方向與軋制方向 (RD) 的夾角從 0° 增大至 90° 時，流動應力遞增；其中 RD-0° 和 RD-45° 試樣表現出較強應變硬化能力，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 純鈦冷軋變形機理，發現軋制過程中隨著變形量的增加，TA1 純鈦織構 < 0001>//TD 取向強度先增強后減弱，基面雙峰織構逐漸弱化；變形初期以壓縮孿晶為主，隨著軋制變形量由 10% 增至 80%，變形機制由孿生主導轉向滑移主導，位錯密度持續升高。
雖然關于 TA1 純鈦塑性變形的研究較多，但多數研究主要聚焦于組織演變和晶體結構，而關于該材料極圖以及施密特因子的研究鮮有報道。因此，本文選取 TA1 純鈦作為研究對象，對其進行不同變形量的冷軋加工，研究軋制變形過程中組織演變、極圖以及施密特因子的變化規律，并測試其拉伸性能。
通過分析極圖演變與施密特因子的內在關系，揭示變形織構與滑移系激活行為之間的關聯，彌補現有研究的不足。此外，在工程應用層面，本研究建立的組織 - 織構 - 性能對應關系，可為 TA1 純鈦板材的軋制工藝優化提供理論依據和數據支撐。
1、實驗材料與方法
本實驗選用初始厚度為 6 mm 的退火態 TA1 工業純鈦板材作為研究對象，經 Agilent 5800 型電感耦合等離子體原子發射光譜儀 (ICP-OES) 測定，其化學成分如下：0.21% Fe、0.03% C、0.001% N、0.001% H 和 0.12% O，其余為 Ti。軋制實驗在 YE2 型軋機上進行，采用室溫單道次軋制工藝，通過板材厚度設置軋制變形量分別為 0、10%、20% 和 30%。對軋制后的純鈦板材沿軋制方向進行組織觀察和力學性能檢測，均從板材心部取樣。
采用 Axiomatic 型光學顯微鏡觀察純鈦板材的金相組織。通過 SUPRA 55 場發射掃描電子顯微鏡自帶的電子背散射衍射探測器獲取材料晶體學信息，數據分析采用 Channel 5 軟件。拉伸性能測試在 INSTRON 5985 型電子萬能材料試驗機上進行，主要測定材料的極限抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率。每組測試選取 3 個試樣取平均值以保證數據可靠性。
2、實驗結果與分析
2.1 金相組織
圖 1 為 TA1 純鈦板材經不同變形量冷軋處理后的金相組織形貌。由圖 1 (a) 可見，原始板材的顯微結構呈現典型的熱軋退火態特征。首先，組織中晶粒尺寸分布較為均勻，幾何形態接近等軸狀，平均晶粒尺寸約為 43 μm；其次，晶界清晰完整，晶內無明顯缺陷，且未觀察到孿晶結構。該形貌說明板材經退火處理后，組織中的晶粒均勻形核與生長，而無孿晶結構證實初始狀態處于低應變能狀態。如圖 1 (b) 所示，當軋制變形量為 10% 時，組織中晶粒尺寸幾乎未發生明顯變化，平均晶粒尺寸約為 41 μm，其形貌仍然呈等軸狀，但晶粒內部存在少量孿晶，說明此時變形量尚未達到臨界孿生應變閾值，位錯滑移仍是主要的變形機制；少量孿晶的出現表明局部應力集中區域已達到孿生所需分切應力。由圖 1 (c) 可見，當軋制變形量為 20% 時，組織產生較為明顯的變化，最為顯著的是孿晶數量增加，平均晶粒尺寸降低至 32 μm 左右。孿晶數量增加會分割原始晶粒，改變局部晶格取向，為更多滑移系的開動創造條件，從而顯著增強孿生與滑移之間的協同變形能力 [10]。如圖 1 (d) 所示，當軋制變形量為 30% 時，組織形貌已產生顯著變化，組織中孿晶數量增加明顯，平均晶粒尺寸進一步減小至 15 μm 左右，且在組織中形成細小晶粒。此時，較高的變形量使組織中塑性應變大量積累，更多晶粒達到孿生所需的臨界分切應力，特別是當位錯滑移難以協調大變形時，晶粒轉動使更多晶粒取向有利于孿生，且高位錯密度區域產生局部應力集中促進孿晶形核，更多的孿晶界分割原始晶粒，進而導致產生細小晶粒 [11]。
2.2 織構強度
為進一步分析軋制變形量對 TA1 純鈦板材內部晶體結構的影響，對不同軋制變形量的試樣進行極圖表征，結果如圖 2 所示。由圖 2 (a) 可見，原始板材的極圖呈現典型的 T 型織構，織構強度為 12.72；由圖 2 (b~d) 可見，在軋制變形量由 10% 增至 30% 的過程中，軋制試樣的極圖仍然呈現 T 型織構，但織構強度呈逐漸降低趨勢，由 9.19 降至 5.30。
原始 TA1 純鈦板材呈現典型的 T 型織構，這種初始織構特征源于退火過程中形成的擇優取向。隨著軋制變形量從 10% 增加至 30%，極圖仍保持 T 型織構的總體特征，說明織構具有較強的熱穩定性。但織構強度呈現持續下降趨勢，這一現象主要源于三個方面的變形機制 [12]：首先，小變形階段 (10%) 以位錯滑移為主導，位錯滑移迫使晶粒發生幾何轉動，使部分晶粒偏離原始擇優取向，導致初始織構強度開始降低；其次，隨著變形量增大 (20%)，孿生機制激活，孿生誘發晶粒 c 軸進行轉向，進一步破壞原始擇優取向，導致晶粒取向發生改變，促使織構強度進一步降低；最后，大變形量下 (30%) 多滑移系和孿生系統產生協同作用，孿生與滑移之間的競爭機制促使更多滑移系激活，加劇晶粒取向隨機化，進一步降低織構強度。織構強度的持續減弱反映了材料內部取向分布逐漸均勻化的過程。
2.3 拉伸性能
圖 3 為 TA1 純鈦板材經不同變形量軋制處理后的拉伸性能曲線。由圖可見，隨著軋制變形程度的提高，TA1 純鈦板材的力學性能表現出顯著的強化效應。未經軋制的原始板材極限抗拉強度Rm為 310 MPa，屈服強度Rp0.2為 220 MPa；隨著軋制變形量增大至 30%，試樣強度逐漸提升，最高極限抗拉強度達到 450 MPa，屈服強度提升至 355 MPa。與此同時，板材的塑性呈現下降趨勢，斷后伸長率 A 從原始板材的 26% 逐漸降低至 15%。
由圖 1 可知，在軋制過程中，純鈦板材組織中孿晶數量不斷增加。孿晶的形成增加了晶界的數量和面積，而晶界是材料中原子排列不規則的區域，其對材料的性能有著重要影響。增加晶界面積可提高材料的強度，因為晶界能阻礙裂紋擴展，致使強度提高。此外，孿晶的形成可提高材料的應變硬化能力，使材料在變形過程中抵抗進一步變形的能力提升。隨著孿晶數量的增加，材料的應變硬化能力也會增強，從而提高了材料的強度 [13]。也有研究 [14] 指出，孿晶的形成還會引發材料的應力集中，使得材料在受到外力時能夠更有效地傳遞載荷，從而提高材料的整體強度。在軋制過程中，除孿晶這一形貌變化外，純鈦板材的晶粒逐漸細化，而細化的晶粒通常會導致材料強度提高。因為較小的晶粒能夠阻礙位錯運動，從而提高材料抵抗變形的能力，表現為強度提高。
由圖 2 可知，在軋制過程中，純鈦板材的織構強度不斷降低。織構強度的降低有助于提高材料的整體強度，其主要機理在于：晶粒取向分布趨于隨機化，不同晶粒的滑移系取向分散，促使塑性變形更均勻；多個滑移系協同參與變形時，需更高外力才能驅動塑性變形，從而提升強度 [15-16]。
2.4 施密特因子
板材的拉伸力學行為不僅取決于其組織形貌，更取決于晶粒取向分布，后者直接體現于織構強度與施密特因子。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力方向相對一致，因此在受到外力作用時，這些晶粒更容易發生滑移變形，導致局部塑性應變集中。相對而言，低施密特因子取向的晶粒則較難發生滑移，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，進而導致材料內部的變形不均勻性 [17]。已有文獻 [18] 證實，施密特因子差異導致的非協調變形會顯著改變材料的宏觀應力 - 應變響應特征。因此，由施密特因子統計分布與拉伸性能的關系，能夠從微觀機制上闡釋 TA1 純鈦板材的變形特性與強化規律。
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 [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。當施密特因子較大時，滑移系處于有利取向，可在較低應力作用下啟動，使材料呈現較低強度；反之，較小的施密特因子意味著需要更大的臨界分切應力才能引發滑移，從而增強材料強度。圖 4 展示了本研究對 TA1 純鈦板材主要滑移系施密特因子的系統統計結果。
由圖 4 可知，基面滑移系的施密特因子在 0~0.5 范圍內呈連續變化趨勢；不同變形程度的試樣展現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 高值區間的分布具有最大比例，而隨著變形量增加，該區間的占比呈現遞減趨勢。這一現象表明，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度相對較低的內在機理。
3、結論
1）TA1 純鈦板材的原始顯微組織中晶粒尺寸分布均勻，幾何形態接近等軸狀；冷軋變形后，板材的組織形貌產生顯著變化，隨著軋制變形量的增加，組織中孿晶數量逐漸增多，晶粒尺寸逐漸減小，且組織中形成細小晶粒。
2）原始板材的極圖呈現典型的 T 型織構，織構強度為 12.72；軋制變形量由 10% 增至 30% 的過程中，材料的極圖仍然呈現 T 型織構，但織構強度呈降低趨勢，由 9.19 降至 5.30。
3）原始板材的極限抗拉強度Rm為 310 MPa，屈服強度Rp0.2為 220 MPa；經冷軋變形加工后，其強度得到顯著提升，但塑性下降，隨著軋制變形量增大至 30%，極限抗拉強度逐漸升至 450 MPa，屈服強度逐漸升至 355 MPa，而斷后伸長率從原始板材的 26% 逐漸降至 15%。
4）原始材料施密特因子在 0.4~0.5 高值區間的分布比例最大，而隨著軋制變形量增加，該區間的占比呈遞減趨勢，位錯滑移較難發生，需更大的臨界分切應力才能引發，表現為材料強度提升。
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（注，原文標題：冷軋變形對TA1純鈦組織演變與拉伸性能的影響）