引言

鈦金屬是具有卓越功能與結(jié)構(gòu)為一體的金屬材料,具備多種優(yōu)良特性,在眾多工程領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。其比強(qiáng)度高,兼具輕質(zhì)與高強(qiáng)韌的特點(diǎn),因此在航空航天等對(duì)材料重量和力學(xué)性能要求極高的場(chǎng)合表現(xiàn)突出，有助于減輕設(shè)備自重、降低能耗并提升綜合性能3。此外,鈦金屬還表現(xiàn)出極佳的耐腐蝕性,能夠在苛刻環(huán)境中保持穩(wěn)定性,抵抗化學(xué)介質(zhì)侵蝕與氧化,該特性使其廣泛應(yīng)用于海洋工程、化工設(shè)備及醫(yī)療植入等領(lǐng)域,顯示出優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性[4]。

在純鈦的塑性加工中,軋制是一種關(guān)鍵工藝方法。該工藝通過(guò)塑性變形促使材料微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而提升其力學(xué)性能[5]。軋制可使純鈦更加致密,在保持良好韌性的同時(shí),顯著提高強(qiáng)度和硬度[6]。其中，軋制變形量是決定材料最終性能的重要參數(shù)，研究其對(duì)微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為的影響，有助于揭示變形量與性能之間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而通過(guò)調(diào)控軋制工藝以優(yōu)化材料性能,對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。因此，本文通過(guò)在不同變形量下對(duì)純鈦進(jìn)行軋制實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究其組織演變與力學(xué)性能，為該材料的加工工藝與性能提升提供理論依據(jù)。

1、試驗(yàn)材料及方法

本研究以8mm厚的退火態(tài)TA1工業(yè)純鈦板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-OES)及氣體分析技術(shù)對(duì)其成分進(jìn)行測(cè)定，主要元素及雜質(zhì)含量如下:Fe0.15%,C0.03%,N0.001%,H0.001%,O0.13%,Ti余量。為研究其軋制變形特性，設(shè)置了0%、10%、20%三種不同變形量的軋制工藝。軋制后，沿軋制方向取樣，分別進(jìn)行顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試。

在樣品微觀組織分析過(guò)程中，金相試樣的制備依照標(biāo)準(zhǔn)流程:依次使用600至1000#碳化硅砂紙進(jìn)行逐級(jí)打磨，再經(jīng)金剛石拋光膏到達(dá)鏡面效果。為清晰顯示組織形貌，采用成分為6%HF+8%HNO₃+86%H₂O的蝕刻液進(jìn)行腐蝕,腐蝕完成后使用OLYMPUS GX71光學(xué)顯微鏡進(jìn)行組織觀察。為進(jìn)一步分析晶體學(xué)特征，采用SUPRA55場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡搭配OxfordEBSD系統(tǒng)采集取向信息，并通過(guò)Channel5軟件處理數(shù)據(jù)，得到晶體結(jié)構(gòu)信息。力學(xué)性能方面，室溫拉伸實(shí)驗(yàn)在HT-140SC型試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率設(shè)定為1mm/min。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1微觀組織

圖1為TA1純鈦板材在不同軋制變形量下的微觀組織演變過(guò)程。未經(jīng)過(guò)軋制變形時(shí)(圖1a)，其組織主要由粗大的等軸晶構(gòu)成，形態(tài)較為單一。當(dāng)變形量達(dá)到10%(圖1b),組織中開(kāi)始出現(xiàn)少量變形孿晶，與原始等軸晶共存。軋制量增至20%(圖1c)后，孿晶密度顯著上升，同時(shí)晶粒尺寸有所減小,晶粒細(xì)化現(xiàn)象明顯。

TA1純鈦在軋制過(guò)程中,當(dāng)變形量較小時(shí)(10%),外加載荷尚未達(dá)到臨界分切應(yīng)力,晶粒以彈性變形為主，組織仍保持為粗大的等軸晶，僅出現(xiàn)零星孿晶。隨著變形量增加至20%，應(yīng)力超過(guò)臨界值，材料進(jìn)入塑性變形階段。由于純鈦具有HCP結(jié)構(gòu)，其塑性變形主要通過(guò)滑移和孿生兩種機(jī)制共同實(shí)現(xiàn)7。其中，滑移主要發(fā)生在基面{0001}滑移系，其是位錯(cuò)沿特定晶面運(yùn)動(dòng)的結(jié)果;而孿生則是在臨界剪切應(yīng)力作用下發(fā)生的局部晶格重構(gòu)。由于HCP結(jié)構(gòu)可用滑移系有限，隨著變形程度加大，更高的變形量導(dǎo)致位錯(cuò)密度上升和局部應(yīng)力集中，更多晶粒滿足孿生條件，因此孿晶數(shù)量隨軋制量遞增[8]。此外，該過(guò)程中的孿晶之間的交互作用也逐漸增強(qiáng)，新生孿晶跨越原有孿晶界，進(jìn)一步促進(jìn)了晶粒的細(xì)化。

2.2晶體結(jié)構(gòu)

圖2為TA1純鈦板材在不同軋制變形量下的IPF圖(InversePoleFigure)。未經(jīng)過(guò)軋制變形時(shí)(圖1a),其組織中晶粒主要以主要<10-10>方向?yàn)橹?并伴隨少量<2-1-10>方向的晶粒。當(dāng)變形量達(dá)到10%(圖1b),組織中除<10-10>方向以及<2-1-10>方向的晶粒外，還出現(xiàn)少量<0001>方向的晶粒。軋制量增至20%(圖1c)后，此時(shí)組織中晶粒不再以某一單獨(dú)方向?yàn)橹鳎尸F(xiàn)出<10-10>、<2-1-10>、<0001>三種方向晶粒均勻分布的結(jié)構(gòu)。

未經(jīng)過(guò)軋制變形時(shí)(0%),板材經(jīng)過(guò)了再結(jié)晶過(guò)程，晶粒為了降低整體的能量，會(huì)趨向于形成一種相對(duì)穩(wěn)定的織構(gòu)，即晶粒擇優(yōu)取向的分布。當(dāng)變形量較小時(shí)(10%)，外部軋制力開(kāi)始作用時(shí)，晶粒會(huì)發(fā)生塑性變形以適應(yīng)外力的要求。由于HCP結(jié)構(gòu)的滑移系有限，晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)是主要的變形機(jī)制之一，原本取向不利于滑移的晶粒，在變形過(guò)程中會(huì)通過(guò)位錯(cuò)滑移和孿生等機(jī)制發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使其某個(gè)更易于滑移的晶向轉(zhuǎn)向與外力方向相協(xié)調(diào)的位置。新出現(xiàn)的<0001>取向晶粒是部分晶粒在軋制力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)到了這個(gè)新的擇優(yōu)方向,表明塑性變形已經(jīng)開(kāi)始顯著地改變材料的微觀織構(gòu)。當(dāng)變形量增加至20%，隨著變形量增大，為了協(xié)調(diào)更大的應(yīng)變,不僅主要的滑移系被激活,次要的滑移系和孿生機(jī)制也大量參與進(jìn)來(lái)。不同晶粒根據(jù)其初始取向，會(huì)采取不同的變形路徑，從而轉(zhuǎn)向不同的最終取向。

綜上所述，外部軋制變形提供的機(jī)械能，迫使晶粒發(fā)生滑移、孿生和轉(zhuǎn)動(dòng)，不斷改變其晶體學(xué)取向,從而使材料的微觀織構(gòu)從初始的單一強(qiáng)織構(gòu)狀態(tài)，逐漸演變?yōu)橐环N復(fù)雜、多元化的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

2.3拉伸性能

圖3為TA1純鈦板材在不同軋制變形量下的拉伸性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著軋制變形量的升高,材料的強(qiáng)度指標(biāo)呈階梯式上升。未經(jīng)過(guò)軋制變形時(shí)(0%),其抗拉強(qiáng)度R和屈服強(qiáng)度Rp0.2分別為310MPa和215MPa;隨著軋制變形量增加,Rm逐漸提高至405MPa,R增至300MPa,與此同時(shí),斷后伸長(zhǎng)率A從初始的30%下降至22%,即軋制變形量對(duì)純鈦板材的力學(xué)行為具有顯著影響。

由上文可知，隨著軋制變形量的增大，TA1純鈦的微觀結(jié)構(gòu)中變形孿晶數(shù)量明顯增多。從晶體學(xué)機(jī)制分析，孿晶是晶體中發(fā)生的切變型結(jié)構(gòu)重組，其界面具有較高能量和特定取向特征。研究指出[10],孿晶界可有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),造成位錯(cuò)塞積,從而增強(qiáng)材料的變形抗力。孿晶密度隨軋制量上升而提高，是該過(guò)程中強(qiáng)度持續(xù)提升的重要強(qiáng)化機(jī)制。

另一方面,軋制變形過(guò)程中累積的塑性應(yīng)變會(huì)誘發(fā)明顯的晶粒細(xì)化效應(yīng)。晶粒尺寸的減小導(dǎo)致單位體積內(nèi)晶界數(shù)量顯著增加，而晶界作為阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的屏障，對(duì)材料產(chǎn)生強(qiáng)化效果。此外，不同取向晶粒的晶界對(duì)滑移系傳遞具有選擇性阻礙作用，增大位錯(cuò)增殖和纏結(jié)的幾率，迫使位錯(cuò)在晶界前沿發(fā)生塞積，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度增加。

3、結(jié)論

(1)隨著軋制變形量由0%增加至20%,TA1純鈦的微觀組織由粗大等軸晶逐步演變?yōu)楦呙芏葘\晶與細(xì)晶共存的結(jié)構(gòu),表明軋制變形可有效實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化并激發(fā)孿生變形。

(2)隨著軋制變形量增加,TA1鈦板的晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了從單一擇優(yōu)取向向多元混合態(tài)的顯著演變,最終形成<10-10>、<2-1-10>與<0001>取向均勻分布的多元混合結(jié)構(gòu)。

(3)隨著軋制變形量的升高,材料的強(qiáng)度指標(biāo)呈階梯式上升。未經(jīng)過(guò)軋制變形時(shí)(0%),其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為310MPa和215MPa;隨著軋制變形量增加,Rm逐漸提高至405MPa,Rm2增至300MPa,與此同時(shí),斷后伸長(zhǎng)率A從初始的30%下降至22%。

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（注，原文標(biāo)題：軋制變形量對(duì)TA1純鈦板材微觀組織與拉伸性能的影響_戴秋昀）

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