發布日期：2025-12-20 15:34:17
工業純鈦擁有密度低、比強度高、耐腐蝕等優良的綜合性能，在航空航天、海洋工程、電子信息等領域得到了廣泛的應用 [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重差異會導致力學性能的不一致性。純鈦在塑性變形過程中極易產生孿晶，由于大尺寸晶粒孿生應力小，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進行，造成變形的不均勻，在測試和使用過程中會嚴重影響材料的力學性能和疲勞性能 [5-6]。而孿晶的產生會促使晶體發生轉動，使滑移繼續進行，從而使應力釋放，削弱裂紋的萌生，表現出更好的塑性 [7]。純鈦在軋制過程中極易形成形變織構，而織構分布狀態或織構類型會對材料各向異性產生強烈的影響 [8]。由軋制產生的織構通過影響 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，致使力學性能表現出各向異性 [9]。不同軋制方式對工業純鈦織構特征有很大的影響。室溫下交叉軋制會促進 ( 0001 ) ＜ 1010 ＞ 、( 0001) ＜ 1120 ＞ 基面織構的形成，該織構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
根據以上國內外對純鈦性能的研究可以看出，純鈦的力學性能同時受到晶粒尺寸和織構的影響，交叉軋制可以有效降低板材組織和織構的橫向和縱向差異，從而獲得各向相同的力學性能，但該方法并不適用于工程化生產。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性能進行分析，確定適合工程化生產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 TA1 純鈦板材為研究對象，其化學成分見表 1。該純鈦的相變點為 895℃。本研究對其進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行變形程度為 60% 的熱軋，然后進行 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 工業純鈦 TA1 的化學成分 (質量分數，%)
| 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性能進行測試，采用恒定應變速率 ((1×10⁻³s⁻¹): 使用 GeminiSEM500 場發射掃描電鏡及其配備的 EBSD 裝置對板材的組織、織構進行 EBSD 表征，利用 AZtec 操作軟件采集 EBSD 測試試驗數據，利用 HKL Channel 5 數據處理軟件進行數據分析。
2、試驗結果與討論
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小的再結晶晶粒，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力，晶粒主要發生壓扁和破碎；在縱向上受到壓應力和拉應力共同作用，晶粒發生壓扁、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，說明橫截面織構偏向于 (0001) 基面織構，而縱向主要以接近藍色的過渡色為主，說明縱截面織構偏向于 (0110) 柱面織構，再次說明熱軋變形存在明顯的晶體擇優取向。晶粒尺寸差異和織構差異共同導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，藍色和綠色區域占比增加明顯，而縱向主要以接近藍色的過渡色為主，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依然以偏向于 (0001) 基面織構為主，縱截面以偏向于 (0110) 柱面織構為主，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對應于換向前的縱向，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生較大的轉動，晶體的 c 軸由垂直于 RD 方向向平行于 RD 方向的方向轉動。
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，而縱向主要以細長的變形晶粒為主，這進一步說明晶粒在橫向和縱向上的受力狀態不同。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，橫向的藍色區域明顯減少，為更趨近于紅色的過渡色，而縱向的紅色和綠色減少，接近于藍色的過渡色區域增加明顯。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，縱截面更加趨近于 (0110) 柱面織構，進一步說明晶體 c 軸向著與 RD 方向平行的方向轉動。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，對比發現，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，大尺寸晶粒較多，呈現出區域性分布，而縱截面變形晶粒呈細長條狀且分布相對較均勻，晶粒尺寸相對細小，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，橫向的藍色和綠色區域明顯減少，整體顏色更加趨向于紅色，而縱向的紅色和綠色區域減少或顏色變淺，整體上更加趨向于藍色。這說明隨著換向熱軋變形量的進一步增加，晶體的 c 軸繼續向著與 RD 方向平行的方向轉動。
2.2 織構
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，橫向和縱向織構分布及峰值強度均存在較大差異。橫截面織構主要分布在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 20° 位置，最大峰值為 17.13; 縱截面織構主要分布在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 45° 附近位置和 ND 向 TD 偏轉 ±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。從圖 6 (c,d) 可以看出，橫向和縱向的織構類型存在較大差異。橫截面織構最大峰值出現在偏離 < 0001 > 方向 20° 附近位置，為平行于 ND 的織構，最大峰值為 4.60, 同時存在較弱的 < 01\overline{1}$0>//TD 織構；縱截面織構最大峰值出現在 <0110> 方向，為 < 0110>//RD 織構，最大峰值為 5.08; 同時存在偏離 < 0001 > 方向 20° 的平行于 ND 的較弱織構。
圖 7 為換向熱軋 60%+40% 變形量分配下 TA1 純鈦板橫向、縱向的極圖和反極圖。從圖 7 (a,b) 可以看出，橫截面最大峰值位置與單向熱軋時相同，出現在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 20° 位置，但最大峰值有所下降，為 12.53。縱截面最大峰值出現在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 ±20° 位置，與單向熱軋時相比，{10$\overline{1}$0} 極面 TD 附近較弱織構消失，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在 < 0001 > 方向，為 < 0001>//ND 織構，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。從整體看，換向軋制有效改善了橫向和縱向的織構差異。
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的位置相同，均出現在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 - 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，縱向的雙強峰織構轉化為一強一弱的雙峰織構，較弱的峰由 RD 向 TD 轉動 90°。從圖 8 (c,d) 可以看出，橫向和縱向的織構取向分布較為一致，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，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類型基本一致且織構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位置相同，均出現在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 - 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，橫截面織構開始在 {0001} 極面 ND 向 RD 偏轉 20° 位置出現較弱的峰值，有形成雙峰織構的趨勢。縱截面此趨勢更加明顯，同時在 RD 向 ND 偏轉 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，最大峰值相近，分別為 5.35 和 5.16。結合圖 7 和圖 8 可以發現，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類型基本一致且織構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 純鈦板的室溫應力 - 應變曲線，各項力學性能如表 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%。結合圖 2 和圖 10 (a) 可知，橫向和縱向上晶粒尺寸及織構的強烈差異共同造成了力學性能的差異。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%, 此時橫向表現出更加良好的力學性能。在變形量分配為 60%+50%(累計變形量為 80%) 時，橫向和縱向上應力 - 應變曲線趨于一致，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出力學性能差異，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%, 此時縱向表現出相對良好的力學性能。
表 2 不同變形量分配下 TA1 純鈦板的力學性能
| 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；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構。結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到一致的狀態，因此促使 TA1 純鈦板的橫向和縱向應力 - 應變曲線趨于一致。
3、結論
TA1 純鈦板材在單向軋制時，橫向織構偏向基面織構，縱向織構偏向柱面織構，晶粒尺寸和織構差異導致橫向和縱向性能差異。經過換向軋制后，橫向和縱向晶粒尺寸基本一致，同時橫向和縱向織構類型也基本趨于一致，為 <0001>//ND 織構，橫向和縱向上織構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出最好的一致性。
單向熱軋 TA1 純鈦板材橫向和縱向力學性能差異明顯，經過換向熱軋后，板材橫向和縱向力學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性能。
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(注，原文標題：換向軋制對TA1純鈦組織與性能一致性的影響）