发布日期：2025-12-15 21:00:09
钛及钛合金因优异的综合性能而备受关注，其不仅具备出色的耐高温和耐低温特性，同时还具有密度低、比强度高等显著优势 [1-2]。这些特性使其成为军工装备、海洋工程、生物医疗以及化学工业等多个重要领域的关键材料 [3-4]。TA1 纯钛作为一种常见的钛材料，其强度性能较钛合金低，但在保持与钛合金相近耐腐蚀性能的同时，还展现出更为优异的塑性优势，这种独特的性能组合使其在化工设备制造、海洋工程结构件、船舶零部件等领域获得了广泛应用 [5]。正是由于卓越的综合性能和广泛的应用适应性，TA1 纯钛已成为当前工业界应用最为普遍的钛合金材料之一 [6]。
由于 TA1 纯钛应用领域十分广泛，故目前关于 TA1 纯钛的研究已较多，但关于其塑性变形的研究仍然是热点。曹晓等 [7] 研究了旋压成形工业纯钛 TA1 的形变及退火行为，发现旋压成形的工业纯钛 TA1 发生严重晶粒变形，应变形式为轴向 / 切向拉伸和径向压缩；经 540 ℃退火 60 min 即可完成再结晶，但随着退火温度升高和时间延长，晶粒粗化，硬度降低。王旭等 [8] 研究了 TA1 纯钛平面各向异性变形行为及机制，发现圆柱试样的流动应力呈现显著取向依赖性，随压缩方向与轧制方向 (RD) 的夹角从 0° 增大至 90° 时，流动应力递增；其中 RD-0° 和 RD-45° 试样表现出较强应变硬化能力，而 RD-90° 试样的加工硬化率低且提前失效。岳旭等 [9] 研究了 TA1 纯钛冷轧变形机理，发现轧制过程中随着变形量的增加，TA1 纯钛织构 < 0001>//TD 取向强度先增强后减弱，基面双峰织构逐渐弱化；变形初期以压缩孪晶为主，随着轧制变形量由 10% 增至 80%，变形机制由孪生主导转向滑移主导，位错密度持续升高。
虽然关于 TA1 纯钛塑性变形的研究较多，但多数研究主要聚焦于组织演变和晶体结构，而关于该材料极图以及施密特因子的研究鲜有报道。因此，本文选取 TA1 纯钛作为研究对象，对其进行不同变形量的冷轧加工，研究轧制变形过程中组织演变、极图以及施密特因子的变化规律，并测试其拉伸性能。
通过分析极图演变与施密特因子的内在关系，揭示变形织构与滑移系激活行为之间的关联，弥补现有研究的不足。此外，在工程应用层面，本研究建立的组织 - 织构 - 性能对应关系，可为 TA1 纯钛板材的轧制工艺优化提供理论依据和数据支撑。
1、实验材料与方法
本实验选用初始厚度为 6 mm 的退火态 TA1 工业纯钛板材作为研究对象，经 Agilent 5800 型电感耦合等离子体原子发射光谱仪 (ICP-OES) 测定，其化学成分如下：0.21% Fe、0.03% C、0.001% N、0.001% H 和 0.12% O，其余为 Ti。轧制实验在 YE2 型轧机上进行，采用室温单道次轧制工艺，通过板材厚度设置轧制变形量分别为 0、10%、20% 和 30%。对轧制后的纯钛板材沿轧制方向进行组织观察和力学性能检测，均从板材心部取样。
采用 Axiomatic 型光学显微镜观察纯钛板材的金相组织。通过 SUPRA 55 场发射扫描电子显微镜自带的电子背散射衍射探测器获取材料晶体学信息，数据分析采用 Channel 5 软件。拉伸性能测试在 INSTRON 5985 型电子万能材料试验机上进行，主要测定材料的极限抗拉强度、屈服强度以及断后伸长率。每组测试选取 3 个试样取平均值以保证数据可靠性。
2、实验结果与分析
2.1 金相组织
图 1 为 TA1 纯钛板材经不同变形量冷轧处理后的金相组织形貌。由图 1 (a) 可见，原始板材的显微结构呈现典型的热轧退火态特征。首先，组织中晶粒尺寸分布较为均匀，几何形态接近等轴状，平均晶粒尺寸约为 43 μm；其次，晶界清晰完整，晶内无明显缺陷，且未观察到孪晶结构。该形貌说明板材经退火处理后，组织中的晶粒均匀形核与生长，而无孪晶结构证实初始状态处于低应变能状态。如图 1 (b) 所示，当轧制变形量为 10% 时，组织中晶粒尺寸几乎未发生明显变化，平均晶粒尺寸约为 41 μm，其形貌仍然呈等轴状，但晶粒内部存在少量孪晶，说明此时变形量尚未达到临界孪生应变阈值，位错滑移仍是主要的变形机制；少量孪晶的出现表明局部应力集中区域已达到孪生所需分切应力。由图 1 (c) 可见，当轧制变形量为 20% 时，组织产生较为明显的变化，最为显著的是孪晶数量增加，平均晶粒尺寸降低至 32 μm 左右。孪晶数量增加会分割原始晶粒，改变局部晶格取向，为更多滑移系的开动创造条件，从而显著增强孪生与滑移之间的协同变形能力 [10]。如图 1 (d) 所示，当轧制变形量为 30% 时，组织形貌已产生显著变化，组织中孪晶数量增加明显，平均晶粒尺寸进一步减小至 15 μm 左右，且在组织中形成细小晶粒。此时，较高的变形量使组织中塑性应变大量积累，更多晶粒达到孪生所需的临界分切应力，特别是当位错滑移难以协调大变形时，晶粒转动使更多晶粒取向有利于孪生，且高位错密度区域产生局部应力集中促进孪晶形核，更多的孪晶界分割原始晶粒，进而导致产生细小晶粒 [11]。
2.2 织构强度
为进一步分析轧制变形量对 TA1 纯钛板材内部晶体结构的影响，对不同轧制变形量的试样进行极图表征，结果如图 2 所示。由图 2 (a) 可见，原始板材的极图呈现典型的 T 型织构，织构强度为 12.72；由图 2 (b~d) 可见，在轧制变形量由 10% 增至 30% 的过程中，轧制试样的极图仍然呈现 T 型织构，但织构强度呈逐渐降低趋势，由 9.19 降至 5.30。
原始 TA1 纯钛板材呈现典型的 T 型织构，这种初始织构特征源于退火过程中形成的择优取向。随着轧制变形量从 10% 增加至 30%，极图仍保持 T 型织构的总体特征，说明织构具有较强的热稳定性。但织构强度呈现持续下降趋势，这一现象主要源于三个方面的变形机制 [12]：首先，小变形阶段 (10%) 以位错滑移为主导，位错滑移迫使晶粒发生几何转动，使部分晶粒偏离原始择优取向，导致初始织构强度开始降低；其次，随着变形量增大 (20%)，孪生机制激活，孪生诱发晶粒 c 轴进行转向，进一步破坏原始择优取向，导致晶粒取向发生改变，促使织构强度进一步降低；最后，大变形量下 (30%) 多滑移系和孪生系统产生协同作用，孪生与滑移之间的竞争机制促使更多滑移系激活，加剧晶粒取向随机化，进一步降低织构强度。织构强度的持续减弱反映了材料内部取向分布逐渐均匀化的过程。
2.3 拉伸性能
图 3 为 TA1 纯钛板材经不同变形量轧制处理后的拉伸性能曲线。由图可见，随着轧制变形程度的提高，TA1 纯钛板材的力学性能表现出显著的强化效应。未经轧制的原始板材极限抗拉强度Rm为 310 MPa，屈服强度Rp0.2为 220 MPa；随着轧制变形量增大至 30%，试样强度逐渐提升，最高极限抗拉强度达到 450 MPa，屈服强度提升至 355 MPa。与此同时，板材的塑性呈现下降趋势，断后伸长率 A 从原始板材的 26% 逐渐降低至 15%。
由图 1 可知，在轧制过程中，纯钛板材组织中孪晶数量不断增加。孪晶的形成增加了晶界的数量和面积，而晶界是材料中原子排列不规则的区域，其对材料的性能有着重要影响。增加晶界面积可提高材料的强度，因为晶界能阻碍裂纹扩展，致使强度提高。此外，孪晶的形成可提高材料的应变硬化能力，使材料在变形过程中抵抗进一步变形的能力提升。随着孪晶数量的增加，材料的应变硬化能力也会增强，从而提高了材料的强度 [13]。也有研究 [14] 指出，孪晶的形成还会引发材料的应力集中，使得材料在受到外力时能够更有效地传递载荷，从而提高材料的整体强度。在轧制过程中，除孪晶这一形貌变化外，纯钛板材的晶粒逐渐细化，而细化的晶粒通常会导致材料强度提高。因为较小的晶粒能够阻碍位错运动，从而提高材料抵抗变形的能力，表现为强度提高。
由图 2 可知，在轧制过程中，纯钛板材的织构强度不断降低。织构强度的降低有助于提高材料的整体强度，其主要机理在于：晶粒取向分布趋于随机化，不同晶粒的滑移系取向分散，促使塑性变形更均匀；多个滑移系协同参与变形时，需更高外力才能驱动塑性变形，从而提升强度 [15-16]。
2.4 施密特因子
板材的拉伸力学行为不仅取决于其组织形貌，更取决于晶粒取向分布，后者直接体现于织构强度与施密特因子。不同取向晶粒的施密特因子差异直接影响滑移系的启动阈值。高施密特因子取向的晶粒意味着其滑移方向与外加应力方向相对一致，因此在受到外力作用时，这些晶粒更容易发生滑移变形，导致局部塑性应变集中。相对而言，低施密特因子取向的晶粒则较难发生滑移，因此在同样的外力作用下，这些晶粒更可能维持弹性变形状态，进而导致材料内部的变形不均匀性 [17]。已有文献 [18] 证实，施密特因子差异导致的非协调变形会显著改变材料的宏观应力 - 应变响应特征。因此，由施密特因子统计分布与拉伸性能的关系，能够从微观机制上阐释 TA1 纯钛板材的变形特性与强化规律。
钛及钛合金的塑性变形行为主要由基面 {0001}<11-20 > 滑移系主导 [19]。研究 [20] 表明，滑移系激活的难易程度与施密特因子密切相关。当施密特因子较大时，滑移系处于有利取向，可在较低应力作用下启动，使材料呈现较低强度；反之，较小的施密特因子意味着需要更大的临界分切应力才能引发滑移，从而增强材料强度。图 4 展示了本研究对 TA1 纯钛板材主要滑移系施密特因子的系统统计结果。
由图 4 可知，基面滑移系的施密特因子在 0~0.5 范围内呈连续变化趋势；不同变形程度的试样展现出明显的施密特因子分布特征差异。原始板材施密特因子在 0.4~0.5 高值区间的分布具有最大比例，而随着变形量增加，该区间的占比呈现递减趋势。这一现象表明，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，从而解释了未变形板材强度相对较低的内在机理。
3、结论
1）TA1 纯钛板材的原始显微组织中晶粒尺寸分布均匀，几何形态接近等轴状；冷轧变形后，板材的组织形貌产生显著变化，随着轧制变形量的增加，组织中孪晶数量逐渐增多，晶粒尺寸逐渐减小，且组织中形成细小晶粒。
2）原始板材的极图呈现典型的 T 型织构，织构强度为 12.72；轧制变形量由 10% 增至 30% 的过程中，材料的极图仍然呈现 T 型织构，但织构强度呈降低趋势，由 9.19 降至 5.30。
3）原始板材的极限抗拉强度Rm为 310 MPa，屈服强度Rp0.2为 220 MPa；经冷轧变形加工后，其强度得到显著提升，但塑性下降，随着轧制变形量增大至 30%，极限抗拉强度逐渐升至 450 MPa，屈服强度逐渐升至 355 MPa，而断后伸长率从原始板材的 26% 逐渐降至 15%。
4）原始材料施密特因子在 0.4~0.5 高值区间的分布比例最大，而随着轧制变形量增加，该区间的占比呈递减趋势，位错滑移较难发生，需更大的临界分切应力才能引发，表现为材料强度提升。
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（注，原文标题：冷轧变形对TA1纯钛组织演变与拉伸性能的影响）