发布日期：2025-12-20 15:34:17
工业纯钛拥有密度低、比强度高、耐腐蚀等优良的综合性能，在航空航天、海洋工程、电子信息等领域得到了广泛的应用 [1]。一般情况下，单向轧制板材会获得纵向长条组织和横向等轴组织，横向和纵向组织的严重差异会导致力学性能的不一致性。纯钛在塑性变形过程中极易产生孪晶，由于大尺寸晶粒孪生应力小，容易形成孪晶，促使塑性变形，因此强度较低 [2-3]。纯钛板材在轧制过程中形成的变形孪晶使晶体的取向发生改变，也会影响板材各向异性 [4]。在塑性变形过程中，位错塞积形成的应力集中促使裂纹的萌生，更容易在粗大晶粒上扩展，同时较为粗大的组织有利于位错滑移的连续进行，造成变形的不均匀，在测试和使用过程中会严重影响材料的力学性能和疲劳性能 [5-6]。而孪晶的产生会促使晶体发生转动，使滑移继续进行，从而使应力释放，削弱裂纹的萌生，表现出更好的塑性 [7]。纯钛在轧制过程中极易形成形变织构，而织构分布状态或织构类型会对材料各向异性产生强烈的影响 [8]。由轧制产生的织构通过影响 Schmidt 因子来影响塑性变形过程中激活的变形机制，如位错滑移和孪晶，且随加载方向而变化，致使力学性能表现出各向异性 [9]。不同轧制方式对工业纯钛织构特征有很大的影响。室温下交叉轧制会促进 ( 0001 ) ＜ 1010 ＞ 、( 0001) ＜ 1120 ＞ 基面织构的形成，该织构提高了六方晶粒厚度方向的变形阻力，降低了板材的各向异性。而单向轧制时，锥面
根据以上国内外对纯钛性能的研究可以看出，纯钛的力学性能同时受到晶粒尺寸和织构的影响，交叉轧制可以有效降低板材组织和织构的横向和纵向差异，从而获得各向相同的力学性能，但该方法并不适用于工程化生产。本文以 TA1 纯钛为研究对象，对换向热轧过程中不同变形分配下获得的热轧板材组织及力学性能进行分析，确定适合工程化生产的纯钛板材热轧变形分配制度。
1、试验材料与方法
本研究以退火态 TA1 纯钛板材为研究对象，其化学成分见表 1。该纯钛的相变点为 895℃。本研究对其进行单向轧制和换向轧制试验，单向轧制试验是在 750℃下沿板材原轧制方向进行热轧，变形程度为 80%, 轧制完成后空冷。换向轧制试验是在 750℃下沿板材原轧制方向进行变形程度为 60% 的热轧，然后进行 90° 换向轧制，换向后的变形程度分别为 40%、50% 和 60%(累计变形量分别为 76%、80% 和 84%), 轧制完成后空冷，轧制示意图如图 1 所示。
表 1 工业纯钛 TA1 的化学成分 (质量分数，%)
| Fe | C | N | H | O | Ti |
| 0.01 | 0.004 | 0.003 | 0.008 | 0.033 | Bal. |
利用线切割沿 TA1 纯钛板横向 (TD)、纵向 (RD) 切取尺寸 10mm×8mm 的金相试样，按 GB/T 228.1-2021《金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法》切取 P7 拉伸试样。利用拉伸试验机对板材的室温力学性能进行测试，采用恒定应变速率 ((1×10⁻³s⁻¹): 使用 GeminiSEM500 场发射扫描电镜及其配备的 EBSD 装置对板材的组织、织构进行 EBSD 表征，利用 AZtec 操作软件采集 EBSD 测试试验数据，利用 HKL Channel 5 数据处理软件进行数据分析。
2、试验结果与讨论
2.1 组织和晶粒尺寸
图 2 为单向热轧 80% 变形量下 TA1 纯钛板横向、纵向的 IPF 图和晶粒尺寸分布。从图 2 (a,b) 可以看出，横向和纵向组织均为典型的轧制变形组织，拉长的变形组织周围分布着大量细小的再结晶晶粒，纵向长条组织明显多于横向且尺寸较大。从图 2 (c,d) 可见，横向和纵向平均晶粒尺寸分别为 0.69 和 0.84μm, 尺寸偏差为 22%, 而且纵向晶粒尺寸偏大，大尺寸晶粒占比也相对较高。这主要是由于轧制过程中晶粒在横向和纵向上的受力不同。在横向上主要受压应力，晶粒主要发生压扁和破碎；在纵向上受到压应力和拉应力共同作用，晶粒发生压扁、拉长和破碎，使长条组织占比增大。同时，从图 2 (a,b) 颜色分布可以看出，横向和纵向的晶体取向存在明显差异，横向主要以接近红色的过渡色为主，说明横截面织构偏向于 (0001) 基面织构，而纵向主要以接近蓝色的过渡色为主，说明纵截面织构偏向于 (0110) 柱面织构，再次说明热轧变形存在明显的晶体择优取向。晶粒尺寸差异和织构差异共同导致了横向和纵向性能的差异。
图 3 为换向热轧 60%+40% 变形量分配下 TA1 纯钛板横向、纵向的 IPF 图和晶粒尺寸分布。从图 3 (a,b) 可以看出，横向和纵向的晶粒形貌差异明显。从横向较大晶粒长宽尺寸可知，横截面变形晶粒形貌主要为压缩型，长宽比较小；而纵向晶粒形貌主要为拉伸型，长宽比较大。另外，横向和纵向上大小尺寸晶粒分布区域较为明显，说明此时变形不均匀。由图 3 (c,d) 可以看出，横向和纵向平均晶粒尺寸差异较小，且各尺寸区间的晶粒占比较为相近。相较于单向热轧，此时平均晶粒尺寸较大。这主要是由于在热轧换向时短时间的加热致使变形晶粒回复长大。同时，从图 3 (a,b) 颜色分布可以看出，横向依然以接近红色的过渡色为主，但相较于单向轧制，蓝色和绿色区域占比增加明显，而纵向主要以接近蓝色的过渡色为主，红色和绿色晶粒占比相较于单向轧制有所增大，说明此时横截面织构依然以偏向于 (0001) 基面织构为主，纵截面以偏向于 (0110) 柱面织构为主，但相较于单向轧制，晶体取向相对较随机。晶粒尺寸接近和晶体取向的随机性增强使换向轧制板材横向和纵向性能趋于一致。由于换向热轧后的横向对应于换向前的纵向，而图 3 (a) 与图 2 (b) 的主要颜色正好相反，说明换向变形使晶体发生较大的转动，晶体的 c 轴由垂直于 RD 方向向平行于 RD 方向的方向转动。
图 4 为换向热轧 60%+50% 变形量分配下 TA1 纯钛板横向、纵向的 IPF 图和晶粒尺寸分布。从图 4 (a,b) 可以看出，横向和纵向均为变形组织，仍存在个别粗大组织，相较于换向热轧 60%+40% 变形量分配时，晶粒变形相对均匀。横向以相对短小的变形晶粒为主，而纵向主要以细长的变形晶粒为主，这进一步说明晶粒在横向和纵向上的受力状态不同。从图 4 (c,d) 可以看出，横向和纵向平均晶粒尺寸比较接近。从图 4 (a,b) 颜色分布可以看出，相较于换向热轧 60%+40% 变形量分配时，横向的蓝色区域明显减少，为更趋近于红色的过渡色，而纵向的红色和绿色减少，接近于蓝色的过渡色区域增加明显。说明随着换向热轧变形量的增加，横截面更加趋近于 (0001) 基面织构，纵截面更加趋近于 (0110) 柱面织构，进一步说明晶体 c 轴向着与 RD 方向平行的方向转动。此时 TA1 纯钛板的累积变形量为 80%, 与单向热轧的变形量一致，对比发现，换向热轧明显减弱了横向和纵向的晶粒尺寸差异。
图 5 为换向热轧 60%+60% 变形量分配下 TA1 纯钛板横向、纵向的 IPF 图和晶粒尺寸分布。从图 5 (a,b) 可以看出，横向变形晶粒依然呈短小形态，大尺寸晶粒较多，呈现出区域性分布，而纵截面变形晶粒呈细长条状且分布相对较均匀，晶粒尺寸相对细小，这主要还是由于晶粒在横向和纵向上受力不同所致。从图 5 (c,d) 可以看出，横向和纵向平均晶粒尺寸仍比较接近。从图 5 (a,b) 颜色分布可以看出，相较于换向热轧 60%+50% 变形量分配时，横向的蓝色和绿色区域明显减少，整体颜色更加趋向于红色，而纵向的红色和绿色区域减少或颜色变浅，整体上更加趋向于蓝色。这说明随着换向热轧变形量的进一步增加，晶体的 c 轴继续向着与 RD 方向平行的方向转动。
2.2 织构
图 6 为单向热轧 80% 变形量下 TA1 纯钛板横向、纵向的极图和反极图。从图 6 (a,b) 可以看出，横向和纵向织构分布及峰值强度均存在较大差异。横截面织构主要分布在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 20° 位置，最大峰值为 17.13; 纵截面织构主要分布在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 45° 附近位置和 ND 向 TD 偏转 ±20° 位置，最大峰值为 6.90, 同时在 {10$\overline{1}0} 极面 TD 附近存在较弱织构。从图 6 (c,d) 可以看出，横向和纵向的织构类型存在较大差异。横截面织构最大峰值出现在偏离 < 0001 > 方向 20° 附近位置，为平行于 ND 的织构，最大峰值为 4.60, 同时存在较弱的 < 01\overline{1}$0>//TD 织构；纵截面织构最大峰值出现在 <0110> 方向，为 < 0110>//RD 织构，最大峰值为 5.08; 同时存在偏离 < 0001 > 方向 20° 的平行于 ND 的较弱织构。
图 7 为换向热轧 60%+40% 变形量分配下 TA1 纯钛板横向、纵向的极图和反极图。从图 7 (a,b) 可以看出，横截面最大峰值位置与单向热轧时相同，出现在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 20° 位置，但最大峰值有所下降，为 12.53。纵截面最大峰值出现在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 ±20° 位置，与单向热轧时相比，{10$\overline{1}$0} 极面 TD 附近较弱织构消失，最大峰值升高为 9.30。从图 7 (c,d) 可以看出，横向和纵向最大峰值均出现在 < 0001 > 方向，为 < 0001>//ND 织构，最大峰值分别为 5.20 和 4.85, 在横截面还存在较弱的 < 1 2 1 0>//TD 织构。从整体看，换向轧制有效改善了横向和纵向的织构差异。
图 8 为换向热轧 60%+50% 变形量分配下 TA1 纯钛板横向、纵向的极图和反极图。从图 8 (a,b) 可以看出，横向和纵向的最大峰值出现的位置相同，均出现在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 - 30° 位置，最大峰值分别为 16.64 和 12.86。与换向轧制 60%+40% 变形量分配时相比，纵向的双强峰织构转化为一强一弱的双峰织构，较弱的峰由 RD 向 TD 转动 90°。从图 8 (c,d) 可以看出，横向和纵向的织构取向分布较为一致，且与换向轧制 60%+40% 变形量分配时的取向分布基本一致，最大峰值分布位置相同，依然为 < 0001>//ND 织构，最大峰值分别为 5.24 和 4.56。这说明换向轧制后横向和纵向的织构类型基本一致且织构类型不会随着变形量的增加而改变。
图 9 为换向热轧 60%+60% 变形量分配下 TA1 纯钛板横向、纵向的极图和反极图。从图 9 (a,b) 可以看出，横向和纵向的最大峰值出现位置相同，均出现在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 - 20° 位置，最大峰值分别为 11.37 和 7.64。与换向热轧 60%+50% 变形分配量时相比，横截面织构开始在 {0001} 极面 ND 向 RD 偏转 20° 位置出现较弱的峰值，有形成双峰织构的趋势。纵截面此趋势更加明显，同时在 RD 向 ND 偏转 45° 附近位置存在相对较弱的峰。从图 9 (c,d) 可以看出，横向和纵向的取向分布一致，最大峰值分布位置相同，依然为 < 0001>//ND 织构，最大峰值相近，分别为 5.35 和 5.16。结合图 7 和图 8 可以发现，随着换向变形量的增加，横向和纵向反极图基本一致，取向的分布也基本不变，说明横向和纵向上的织构类型基本一致且织构类型基本不随变形程度而改变。
2.3 拉伸性能
图 10 为单向热轧和换向热轧不同变形量分配下 TA1 纯钛板的室温应力 - 应变曲线，各项力学性能如表 2 所示。从图 10 (a) 可以看出，单向热轧板材的横向和纵向力学性能存在明显差异，横向抗拉强度和断后伸长率较纵向低，而屈服强度高，其差值分别为 - 14MPa、35MPa 和 - 12.5%。结合图 2 和图 10 (a) 可知，横向和纵向上晶粒尺寸及织构的强烈差异共同造成了力学性能的差异。从图 10 (b~d) 可以看出，换向热轧后板材横向和纵向上的力学性能异性得到明显改善。在变形量分配为 60%+40%(累计变形量为 76%) 时，抗拉强度和屈服强度已经趋于一致，其差值均为 2MPa, 但断后伸长率差值较大，为 5.5%, 此时横向表现出更加良好的力学性能。在变形量分配为 60%+50%(累计变形量为 80%) 时，横向和纵向上应力 - 应变曲线趋于一致，其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率的差值分别为 1MPa、2MPa 和 - 0.5%, 此时完全消除了板材横向和纵向上的力学性能异性。而在变形量分配为 60%+60%(累计变形量为 84%) 时，横向和纵向上再次表现出力学性能差异，其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率的差值分别为 5MPa、-7MPa 和 - 11%, 此时纵向表现出相对良好的力学性能。
表 2 不同变形量分配下 TA1 纯钛板的力学性能
| 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 |
总体上看，换向热轧板材横向力学性能主要遗传于换向前纵向的性能，在换向后变化不是很明显，主要与组织的遗传性有关；而换向热轧主要改善板材的纵向性能，尤其是断后伸长率的变化十分明显，这主要是因为轧制变形明显改变了板材纵向微观组织结构。结合换向轧制后横向和纵向的晶粒尺寸分布、极图和反极图可知，换向轧制后横向和纵向晶粒尺寸和织构趋于一致，使横向和纵向性能异性得到有效改善。在换向轧制热轧 60%+50% 变形量分配时，横向和纵向晶粒尺寸和晶粒取向分布均达到一致的状态，因此促使 TA1 纯钛板的横向和纵向应力 - 应变曲线趋于一致。
3、结论
TA1 纯钛板材在单向轧制时，横向织构偏向基面织构，纵向织构偏向柱面织构，晶粒尺寸和织构差异导致横向和纵向性能差异。经过换向轧制后，横向和纵向晶粒尺寸基本一致，同时横向和纵向织构类型也基本趋于一致，为 <0001>//ND 织构，横向和纵向上织构类型基本一致且不随变形程度改变。在换向热轧 60%+50% 变形量分配时，横向和纵向极图和反极图的取向密度分布表现出最好的一致性。
单向热轧 TA1 纯钛板材横向和纵向力学性能差异明显，经过换向热轧后，板材横向和纵向力学性能异性得到有效改善，但强度明显下降。在换向热轧 60%+50% 变形量分配时，横向和纵向具有一致的力学性能。
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(注，原文标题：换向轧制对TA1纯钛组织与性能一致性的影响）