引言

鈦金屬是具有卓越功能與結構為一體的金屬材料,具備多種優良特性,在眾多工程領域具有廣泛應用價值。其比強度高,兼具輕質與高強韌的特點,因此在航空航天等對材料重量和力學性能要求極高的場合表現突出，有助于減輕設備自重、降低能耗并提升綜合性能3。此外,鈦金屬還表現出極佳的耐腐蝕性,能夠在苛刻環境中保持穩定性,抵抗化學介質侵蝕與氧化,該特性使其廣泛應用于海洋工程、化工設備及醫療植入等領域,顯示出優異的環境適應性[4]。

在純鈦的塑性加工中,軋制是一種關鍵工藝方法。該工藝通過塑性變形促使材料微觀結構發生變化,從而提升其力學性能[5]。軋制可使純鈦更加致密,在保持良好韌性的同時,顯著提高強度和硬度[6]。其中，軋制變形量是決定材料最終性能的重要參數，研究其對微觀結構與力學行為的影響，有助于揭示變形量與性能之間的關聯，進而通過調控軋制工藝以優化材料性能,對提升產品質量具有指導意義。因此，本文通過在不同變形量下對純鈦進行軋制實驗，系統研究其組織演變與力學性能，為該材料的加工工藝與性能提升提供理論依據。

1、試驗材料及方法

本研究以8mm厚的退火態TA1工業純鈦板為實驗對象，利用電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES)及氣體分析技術對其成分進行測定，主要元素及雜質含量如下: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，分別進行顯微組織觀察和力學性能測試。

在樣品微觀組織分析過程中，金相試樣的制備依照標準流程:依次使用600至1000#碳化硅砂紙進行逐級打磨，再經金剛石拋光膏到達鏡面效果。為清晰顯示組織形貌，采用成分為6%HF+8%HNO₃+86%H₂O的蝕刻液進行腐蝕,腐蝕完成后使用OLYMPUS GX71光學顯微鏡進行組織觀察。為進一步分析晶體學特征，采用SUPRA55場發射掃描電鏡搭配OxfordEBSD系統采集取向信息，并通過Channel5軟件處理數據，得到晶體結構信息。力學性能方面，室溫拉伸實驗在HT-140SC型試驗機上進行，拉伸速率設定為1mm/min。

2、試驗結果與分析

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程。未經過軋制變形時(圖1a)，其組織主要由粗大的等軸晶構成，形態較為單一。當變形量達到10%(圖1b),組織中開始出現少量變形孿晶，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，同時晶粒尺寸有所減小,晶粒細化現象明顯。

TA1純鈦在軋制過程中,當變形量較小時(10%),外加載荷尚未達到臨界分切應力,晶粒以彈性變形為主，組織仍保持為粗大的等軸晶，僅出現零星孿晶。隨著變形量增加至20%，應力超過臨界值，材料進入塑性變形階段。由于純鈦具有HCP結構，其塑性變形主要通過滑移和孿生兩種機制共同實現7。其中，滑移主要發生在基面{0001}滑移系，其是位錯沿特定晶面運動的結果;而孿生則是在臨界剪切應力作用下發生的局部晶格重構。由于HCP結構可用滑移系有限，隨著變形程度加大，更高的變形量導致位錯密度上升和局部應力集中，更多晶粒滿足孿生條件，因此孿晶數量隨軋制量遞增[8]。此外，該過程中的孿晶之間的交互作用也逐漸增強，新生孿晶跨越原有孿晶界，進一步促進了晶粒的細化。

2.2晶體結構

圖2為TA1純鈦板材在不同軋制變形量下的IPF圖(InversePoleFigure)。未經過軋制變形時(圖1a),其組織中晶粒主要以主要<10-10>方向為主,并伴隨少量<2-1-10>方向的晶粒。當變形量達到10%(圖1b),組織中除<10-10>方向以及<2-1-10>方向的晶粒外，還出現少量<0001>方向的晶粒。軋制量增至20%(圖1c)后，此時組織中晶粒不再以某一單獨方向為主，而呈現出<10-10>、<2-1-10>、<0001>三種方向晶粒均勻分布的結構。

未經過軋制變形時(0%),板材經過了再結晶過程，晶粒為了降低整體的能量，會趨向于形成一種相對穩定的織構，即晶粒擇優取向的分布。當變形量較小時(10%)，外部軋制力開始作用時，晶粒會發生塑性變形以適應外力的要求。由于HCP結構的滑移系有限，晶粒轉動是主要的變形機制之一，原本取向不利于滑移的晶粒，在變形過程中會通過位錯滑移和孿生等機制發生旋轉，使其某個更易于滑移的晶向轉向與外力方向相協調的位置。新出現的<0001>取向晶粒是部分晶粒在軋制力的作用下轉動到了這個新的擇優方向,表明塑性變形已經開始顯著地改變材料的微觀織構。當變形量增加至20%，隨著變形量增大，為了協調更大的應變,不僅主要的滑移系被激活,次要的滑移系和孿生機制也大量參與進來。不同晶粒根據其初始取向，會采取不同的變形路徑，從而轉向不同的最終取向。

綜上所述，外部軋制變形提供的機械能，迫使晶粒發生滑移、孿生和轉動，不斷改變其晶體學取向,從而使材料的微觀織構從初始的單一強織構狀態，逐漸演變為一種復雜、多元化的結構狀態。

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。實驗結果表明，隨著軋制變形量的升高,材料的強度指標呈階梯式上升。未經過軋制變形時(0%),其抗拉強度R和屈服強度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,斷后伸長率A從初始的30%下降至22%,即軋制變形量對純鈦板材的力學行為具有顯著影響。

由上文可知，隨著軋制變形量的增大，TA1純鈦的微觀結構中變形孿晶數量明顯增多。從晶體學機制分析，孿晶是晶體中發生的切變型結構重組，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運動,造成位錯塞積,從而增強材料的變形抗力。孿晶密度隨軋制量上升而提高，是該過程中強度持續提升的重要強化機制。

另一方面,軋制變形過程中累積的塑性應變會誘發明顯的晶粒細化效應。晶粒尺寸的減小導致單位體積內晶界數量顯著增加，而晶界作為阻礙位錯運動的屏障，對材料產生強化效果。此外，不同取向晶粒的晶界對滑移系傳遞具有選擇性阻礙作用，增大位錯增殖和纏結的幾率，迫使位錯在晶界前沿發生塞積，進而導致強度增加。

3、結論

(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為高密度孿晶與細晶共存的結構,表明軋制變形可有效實現晶粒細化并激發孿生變形。

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

(3)隨著軋制變形量的升高,材料的強度指標呈階梯式上升。未經過軋制變形時(0%),其抗拉強度和屈服強度分別為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,斷后伸長率A從初始的30%下降至22%。

參考文獻

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

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