引言
钛金属是具有卓越功能与结构为一体的金属材料,具备多种优良特性,在众多工程领域具有广泛应用价值。其比强度高,兼具轻质与高强韧的特点,因此在航空航天等对材料重量和力学性能要求极高的场合表现突出，有助于减轻设备自重、降低能耗并提升综合性能3。此外,钛金属还表现出极佳的耐腐蚀性,能够在苛刻环境中保持稳定性,抵抗化学介质侵蚀与氧化,该特性使其广泛应用于海洋工程、化工设备及医疗植入等领域,显示出优异的环境适应性[4]。
在纯钛的塑性加工中,轧制是一种关键工艺方法。该工艺通过塑性变形促使材料微观结构发生变化,从而提升其力学性能[5]。轧制可使纯钛更加致密,在保持良好韧性的同时,显著提高强度和硬度[6]。其中，轧制变形量是决定材料最终性能的重要参数，研究其对微观结构与力学行为的影响，有助于揭示变形量与性能之间的关联，进而通过调控轧制工艺以优化材料性能,对提升产品质量具有指导意义。因此，本文通过在不同变形量下对纯钛进行轧制实验，系统研究其组织演变与力学性能，为该材料的加工工艺与性能提升提供理论依据。
1、试验材料及方法
本研究以8mm厚的退火态TA1工业纯钛板为实验对象，利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)及气体分析技术对其成分进行测定，主要元素及杂质含量如下:Fe0.15%,C0.03%,N0.001%,H0.001%,O0.13%,Ti余量。为研究其轧制变形特性，设置了0%、10%、20%三种不同变形量的轧制工艺。轧制后，沿轧制方向取样，分别进行显微组织观察和力学性能测试。
在样品微观组织分析过程中，金相试样的制备依照标准流程:依次使用600至1000#碳化硅砂纸进行逐级打磨，再经金刚石抛光膏到达镜面效果。为清晰显示组织形貌，采用成分为6%HF+8%HNO3+86%H2O的蚀刻液进行腐蚀,腐蚀完成后使用OLYMPUS GX71光学显微镜进行组织观察。为进一步分析晶体学特征，采用SUPRA55场发射扫描电镜搭配OxfordEBSD系统采集取向信息，并通过Channel5软件处理数据，得到晶体结构信息。力学性能方面，室温拉伸实验在HT-140SC型试验机上进行，拉伸速率设定为1mm/min。
2、试验结果与分析
2.1微观组织
图1为TA1纯钛板材在不同轧制变形量下的微观组织演变过程。未经过轧制变形时(图1a)，其组织主要由粗大的等轴晶构成，形态较为单一。当变形量达到10%(图1b),组织中开始出现少量变形孪晶，与原始等轴晶共存。轧制量增至20%(图1c)后，孪晶密度显著上升，同时晶粒尺寸有所减小,晶粒细化现象明显。
TA1纯钛在轧制过程中,当变形量较小时(10%),外加载荷尚未达到临界分切应力,晶粒以弹性变形为主，组织仍保持为粗大的等轴晶，仅出现零星孪晶。随着变形量增加至20%，应力超过临界值，材料进入塑性变形阶段。由于纯钛具有HCP结构，其塑性变形主要通过滑移和孪生两种机制共同实现7。其中，滑移主要发生在基面{0001}滑移系，其是位错沿特定晶面运动的结果;而孪生则是在临界剪切应力作用下发生的局部晶格重构。由于HCP结构可用滑移系有限，随着变形程度加大，更高的变形量导致位错密度上升和局部应力集中，更多晶粒满足孪生条件，因此孪晶数量随轧制量递增[8]。此外，该过程中的孪晶之间的交互作用也逐渐增强，新生孪晶跨越原有孪晶界，进一步促进了晶粒的细化。
2.2晶体结构
图2为TA1纯钛板材在不同轧制变形量下的IPF图(InversePoleFigure)。未经过轧制变形时(图1a),其组织中晶粒主要以主要<10-10>方向为主,并伴随少量<2-1-10>方向的晶粒。当变形量达到10%(图1b),组织中除<10-10>方向以及<2-1-10>方向的晶粒外，还出现少量<0001>方向的晶粒。轧制量增至20%(图1c)后，此时组织中晶粒不再以某一单独方向为主，而呈现出<10-10>、<2-1-10>、<0001>三种方向晶粒均匀分布的结构。
未经过轧制变形时(0%),板材经过了再结晶过程，晶粒为了降低整体的能量，会趋向于形成一种相对稳定的织构，即晶粒择优取向的分布。当变形量较小时(10%)，外部轧制力开始作用时，晶粒会发生塑性变形以适应外力的要求。由于HCP结构的滑移系有限，晶粒转动是主要的变形机制之一，原本取向不利于滑移的晶粒，在变形过程中会通过位错滑移和孪生等机制发生旋转，使其某个更易于滑移的晶向转向与外力方向相协调的位置。新出现的<0001>取向晶粒是部分晶粒在轧制力的作用下转动到了这个新的择优方向,表明塑性变形已经开始显著地改变材料的微观织构。当变形量增加至20%，随着变形量增大，为了协调更大的应变,不仅主要的滑移系被激活,次要的滑移系和孪生机制也大量参与进来。不同晶粒根据其初始取向，会采取不同的变形路径，从而转向不同的最终取向。
综上所述，外部轧制变形提供的机械能，迫使晶粒发生滑移、孪生和转动，不断改变其晶体学取向,从而使材料的微观织构从初始的单一强织构状态，逐渐演变为一种复杂、多元化的结构状态。
2.3拉伸性能
图3为TA1纯钛板材在不同轧制变形量下的拉伸性能。实验结果表明，随着轧制变形量的升高,材料的强度指标呈阶梯式上升。未经过轧制变形时(0%),其抗拉强度R和屈服强度Rp0.2分别为310MPa和215MPa;随着轧制变形量增加,Rm逐渐提高至405MPa,R增至300MPa,与此同时,断后伸长率A从初始的30%下降至22%,即轧制变形量对纯钛板材的力学行为具有显著影响。
由上文可知，随着轧制变形量的增大，TA1纯钛的微观结构中变形孪晶数量明显增多。从晶体学机制分析，孪晶是晶体中发生的切变型结构重组，其界面具有较高能量和特定取向特征。研究指出[10],孪晶界可有效阻碍位错运动,造成位错塞积,从而增强材料的变形抗力。孪晶密度随轧制量上升而提高，是该过程中强度持续提升的重要强化机制。
另一方面,轧制变形过程中累积的塑性应变会诱发明显的晶粒细化效应。晶粒尺寸的减小导致单位体积内晶界数量显著增加，而晶界作为阻碍位错运动的屏障，对材料产生强化效果。此外，不同取向晶粒的晶界对滑移系传递具有选择性阻碍作用，增大位错增殖和缠结的几率，迫使位错在晶界前沿发生塞积，进而导致强度增加。
3、结论
(1)随着轧制变形量由0%增加至20%,TA1纯钛的微观组织由粗大等轴晶逐步演变为高密度孪晶与细晶共存的结构,表明轧制变形可有效实现晶粒细化并激发孪生变形。
(2)随着轧制变形量增加,TA1钛板的晶体结构经历了从单一择优取向向多元混合态的显著演变,最终形成<10-10>、<2-1-10>与<0001>取向均匀分布的多元混合结构。
(3)随着轧制变形量的升高,材料的强度指标呈阶梯式上升。未经过轧制变形时(0%),其抗拉强度和屈服强度分别为310MPa和215MPa;随着轧制变形量增加,Rm逐渐提高至405MPa,Rm2增至300MPa,与此同时,断后伸长率A从初始的30%下降至22%。
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（注，原文标题：轧制变形量对TA1纯钛板材微观组织与拉伸性能的影响_戴秋昀）
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