发布日期：2026-2-3 10:49:34
钛及钛合金强度高、密度小，同时具有耐腐蚀、耐高温性、可塑性良好以及易焊接等性能，故其适用范围广[1-2],在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域展现出优越的性能和潜力,并在各种复杂环境下保持稳定的性能表现3-4。TA2纯钛应用广泛,目前关于TA2纯钛热变形的研究较多。刘程祥等[5]研究了TA2纯钛热压缩过程中形变对相变与再结晶的影响。陈荣友等[6]对TA2纯钛进行了多向压缩与退火处理,研究了TA2工业纯钛力学性能的变化规律。柴希阳等[7]对TA2纯钛进行热变形,得出了流变行为本构方程。TA2纯钛板材与棒材在热变形过程中的表现具有较为明显的区别，最主要的区别为板材的形变织构为板织构,而棒材的织构则为丝织构,二者在晶体结构以及力学性能分析上有区别。目前关于TA2纯钛热变形的研究多以板材为主，鲜有关于棒材的研究报告。因此，开展针对TA2纯钛棒材的热变形行为的研究具有重要意义。本研究对TA2纯钛棒材热变形过程中的相变、再结晶以及力学性能的演变规律进行了分析，为TA2纯钛的进一步应用提供理论支持和试验依据。
1、试验材料与方法
选取TA2纯钛棒材作为试验材料,规格为φ100 mm,化学成分(质量分数,%)为0.28Fe、0.05C、0.002N、0.001H、0.20,余量Ti,测得其相转变温度为893℃。采用线切割沿棒材纵向切取尺寸为φ8 mm×12 mm的试样,采用WDW-100H万能试验机进行压缩试验,设置应变速率为0.1s⁻¹,变形量为50%,变形温度分别为20、250、550、650、750和850℃。变形完成后，立刻将压缩试样进行水冷处理，以观察试样微观组织形貌。
对压缩试样进行切割，对试样组织形貌、晶体结构以及物相进行分析，所有测试位置均为试样纵向心部位置。采用5%氢氟酸水溶液进行腐蚀，通过OLYMPUS光学显微镜对压缩试样进行微观组织观察，通过SUPRA55场发射扫描电镜进行EBSD测试，并利用Channel5软件分析测试结果。采用Thermo Scientific ARL EQUINOX Pro型X射线衍射仪进行XRD测试,测试结果使用Jade软件进行分析。
2、试验结果与分析
2.1微观组织
TA2纯钛在低温变形时(20和250℃),组织协调变形能力较差,部分晶粒发生严重变形，晶粒尺寸较为细小，如图1(a，b)所示。这主要是因为在室温或较低温度下，TA2纯钛组织主要由具有密排六方结构的晶粒组成，可开动的滑移系较少，导致变形更加困难，进而使得整体形变分布不均匀，部分晶粒破碎。TA2纯钛在高温变形时(550~850℃),其微观组织呈现出规律性的演变，随着变形温度的不断增加，晶粒尺寸逐渐增大，并趋于等轴化。当变形温度为550℃时，由于变形温度较低，产生以位错重排为主的动态回复，组织具有明显的变形特征。当变形温度为650℃时，发生以形核长大为特征的动态再结晶，晶粒尺寸较细小。当变形温度为750℃时，再结晶更充分，晶粒发生长大。当变形温度为850℃时，过高的温度会使原子活动能力增强，晶界迁移速率提升，导致晶粒进一步长大,组织粗化。
相比于低温变形(20和250℃),在较高的变形温度下(550~750℃),TA2纯钛中原子的热运动能力增强，为动态再结晶提供了充足的驱动力。此时，通过新晶粒的形核与长大，原始的变形组织被新的、无畸变的等轴晶粒所取代，同时晶界迁移能力显著提升。这一再结晶过程有效消除了组织的变形特征，使其趋于均匀、等轴化[5]。在高温(850°C)条件下，更高的温度会使原子的自扩散能力与晶界迁移率进一步提升，这使得再结晶晶核能够以更快的速率长大，且高温也会让大晶粒得以快速、高效地吞并小晶粒，导致在更高温度下最终获得粗化的组织[8]。
2.2 EBSD分析
钛及钛合金在发生塑性变形时，最主要的滑移面为{0001}[9],故对不同变形温度下{0001}滑移面的反极图进行分析，如图2所示。可以发现，在低温变形时(20和250℃),反极图中无明显的取向集中显现,表明晶粒取向随机分布，如图2(a，b)所示。在高温变形时(550~850℃),随着变形温度的升高,反极图中逐渐出现了取向集中，且在850℃时织构强度达到最大值6.8。
在低温区间(20和250℃),纯钛的晶粒取向分布随机，意味着各个晶粒的取向没有明显的规律或优势方向，随机取向的组织需要外界提供更高的能量以激活所有取向晶粒中的滑移系，且各晶粒滑移系启动的临界应力差异较大，会导致宏观流变应力较高。
在高温区间(550~850℃),强织构的形成意味着晶粒取向趋于一致，其变形模式也更为统一[10]。当晶粒出现明显的织构，意味着某些晶粒的取向相对于其他晶粒具有明显的优势方向[11]。在这种情况下,TA2纯钛受到外力作用时，这些具有优势取向的晶粒会成为主要的承载部分。虽然其可以贡献更高的局部强度，但大量的晶粒没有这种优势取向，纯钛的整体流变应力会降低。此外,结合Schmid定律分析[12-13],在形成的{0001}面织构下，基面滑移的Schmid因子较低，变形将更多地由柱面与锥面滑移系承担。高温热激活保证了这些滑移系的有效开动，而织构化组织避免了为协调硬取向晶粒变形所需的多余能量,其与动态再结晶共同作用，可导致高温下流变应力的显著软化。
2.3 XRD分析
图3为TA2纯钛经不同温度压缩变形后的XRD图谱。可以看出，变形温度对TA2的衍射峰产生了显著影响，这主要与变形过程中的微观组织演变有关。与20℃压缩变形相比，变形温度升高至250℃后，(1010)与(1120)衍射峰强度有所增强。在20℃变形时，严重的晶格畸变与极高的缺陷密度会严重破坏原子的长程有序排列，导致部分晶面的衍射能力下降，致使(10-10)与(1120)衍射峰强度较弱。当变形温度升至250℃,原子活动能力增强,会出现十分少量的动态回复。此过程会一度程度降低晶格畸变，使晶体结构的完整性得到局部恢复，从而提升材料的衍射效率。因此，(1010)与(1120)衍射峰的强度出现增强，从难以分辨变为清晰可见。
当变形温度进一步升高至550~850℃时，(1010)与(1120)衍射峰的强度呈现持续增强的趋势，这是由于微观组织从动态回复向动态再结晶及晶粒长大的转变过程所致。在550~750℃区间，组织发生完整的动态回复以及再结晶过程。此过程通过在变形基体中形核与长大，生成了大量全新的、无晶格畸变的等轴晶粒。这些晶粒具有高度的晶体完整性，其衍射效率高于仅经历回复的组织，导致所有衍射峰的强度出现进一步增长趋势。在850℃时，再结晶晶粒通过晶界迁移迅速长大乃至粗化。根据X射线衍射的晶粒尺寸效应，更大的晶粒尺寸会产生更强的衍射峰，使得(1010)与(1120)衍射峰的强度在再结晶的基础上得以进一步增强。
进一步观察发现，当变形温度从20℃升至250℃后，(0002)与(1011)衍射峰的相对强度发生了反转。在20℃变形时，高密度的晶体缺陷和严重的晶格畸变普遍存在于所有晶粒中，此时衍射峰相对强度仍保持与标准谱相近的特征，即(1011)峰强度最高。当变形温度升至250℃时，组织会产生十分少量的动态回复，少量位错的重排修复部分晶格畸变，推测在特定的变形条件和晶体结构下，与(0002)晶面相关的晶体的晶格恢复更为显著和迅速。这种不同晶面在回复过程中的非均匀性，导致(0002)晶面的衍射效率获得了比(1011)晶面更大程度的提升。当变形温度进一步升高至550~850℃时，(0002)衍射峰强度持续高于(1011)峰的现象得以维持并强化，这与250℃时观察到的趋势一致，表明由中温回复所启动的晶体完整性差异化恢复，在继续升高温度时被继承并固化。
2.4压缩力学性能
图4为TA2纯钛在不同变形温度下的真应力-真应变曲线，其形态与应力水平的变化是材料内部硬化与软化机制动态竞争的宏观反映。在20℃与250℃低温变形时，曲线呈现高流变应力与持续加工硬化的特征。此阶段，位错的快速增殖与缠结是主导机制，产生了强烈的加工硬化效应[14]。尽管在250℃时十分少量的动态回复已能引发有限的位错重排，导致曲线略微趋于平缓，但不足以对抗硬化趋势。当变形温度升至550℃与650℃时，曲线表现出典型的动态再结晶特征，应力达峰值后显著下降并进入稳态流动。峰值应力对应再结晶的开始，其后的软化源于新生、无缺陷的再结晶晶粒对高位错密度变形基体的取代[15]。此时,硬化(位错增殖)与软化(再结晶)达到了动态平衡。变形温度升至750℃与850℃后，曲线表现为极低应力水平下的平稳稳态流变。此时，极高的原子活动能力使得以位错攀移和交滑移为特征的动态回复过程极为高效，位错增殖与湮灭速率达到平衡，促进再结晶快速完成并达到稳态流变。同时，再结晶后的晶粒显著长大，根据Hall-Petch关系[16-17]，粗大晶粒进一步降低了流变应力，共同导致了曲线的高温软化现象。
3、结论
1)TA2纯钛的热变形组织受变形温度的影响显著。低温(20~250℃)下因滑移系有限，形成破碎的变形组织;中高温(550~750℃)发生动态再结晶,转变为均匀的等轴晶;当变形温度升至850℃时，晶粒显著粗化。
2)对{0001}面反极图的分析表明,TA2纯钛的晶粒取向从低温变形的随机分布，转变为高温下的强织构，且织构强度在850℃时达到最大值6.8。
3)随着变形温度升高,(1010)与(1120)衍射峰强度增强，反映了材料从高缺陷密度的变形组织向完整晶体的动态再结晶转变。而(0002)与(1011)峰强的相对反转，则表明不同晶面在回复与再结晶过程中存在非均匀的恢复行为，该差异在继续升高温度时继承并固化。
4)TA2纯钛的流变应力行为强烈依赖于变形温度。在20~250℃,流变应力曲线特征为由位错缠结导致的加工硬化主导;在550~650℃,动态再结晶的形核与长大导致流变应力曲线呈现出达到峰值后软化的特征;而在750~850℃,高效动态回复与晶粒粗化共同作用，使曲线在极低应力水平下保持平稳的稳态流变。
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（注，原文标题：热变形温度对TA2纯钛微观组织与力学性能的影响）
tag标签:TA2纯钛棒材,热变形,动态回复,动态再结晶,XRD衍射峰