純鈦板材軋制過程中的孿生變形行為

吳 昊，柴林江，2，夏吉鶯，程體娟，黃偉九

（1.重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶市模具工程技術(shù)研究中心，重慶 400054）

1 純鈦的基本性質(zhì)及其板材的應(yīng)用

鈦的原子序數(shù)為22，相對(duì)原子質(zhì)量為47.88，密度為4.54 g／cm-3，熔點(diǎn)為1 660±10℃，沸點(diǎn)為3 287℃。純鈦在室溫下具有密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)，通常稱為α鈦；當(dāng)溫度升高到882℃時(shí)會(huì)發(fā)生同素異構(gòu)相變轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方（bcc）結(jié)構(gòu)，通常稱為β鈦。圖1所示的是純鈦在室溫下的晶胞，晶格常數(shù)為：a＝0.295 nm，c＝0.468 nm，軸比c／a＝1.587。

圖1 α-Ti的密排六方晶胞和β-Ti的體心立方晶胞示意圖［2］

鈦金屬材料的比強(qiáng)度高，具有良好的耐腐蝕和耐熱性，在航空、航天、軍事、汽車、生物醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用［1］。圖2所示為2016年鈦金屬材料在我國(guó)各領(lǐng)域應(yīng)用占比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看出鈦在化工領(lǐng)域的用量最大，其次是航空航天領(lǐng)域［2］。表1為2015與2016年各類鈦金屬材料產(chǎn)量的比較，從表中可以看出板材占鈦材總產(chǎn)量的比重最高（約一半），且呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)［3］。迄今為止，各國(guó)科研人員已經(jīng)研制出了多種不同成分的鈦合金板材，如日本鋼管公司（NKK）研制的超塑性鈦合金材料，其延伸率能達(dá)到2 000%；俄羅斯研制出的BT-22（Ti-5V-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1 105 MPa以上［3］。雖然出現(xiàn)了這些性能優(yōu)異的鈦合金板材，但純鈦板材憑借自身良好的機(jī)械性能、耐腐蝕表現(xiàn)及成本優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)領(lǐng)域仍然有著大量的應(yīng)用，如在石油工業(yè)中可用于制作各種容器、反應(yīng)器、熱交換器、蒸餾塔、管道、泵和閥等［2］。因此，純鈦板材一直以來也受到各國(guó)研究人員的密切關(guān)注。

圖2 2016年鈦及鈦合金材料在國(guó)內(nèi)不同領(lǐng)域的應(yīng)用比例［1］

表1 近兩年國(guó)內(nèi)各類鈦材所占比例［2］

軋制是一種常見的高效、低成本加工工藝，通過軋制變形可以將材料加工成相應(yīng)的形狀。鈦及鈦合金板材的制造都是先獲得鑄錠再鍛造開坯，然后通過軋制加工制成板材。純鈦板材受自身結(jié)構(gòu)的限制，在軋制過程中容易發(fā)生孿生變形，產(chǎn)生各種孿晶。孿晶的形成不僅會(huì)改變純鈦板材的微觀組織和織構(gòu)特征，還可能對(duì)其力學(xué)性能等產(chǎn)生顯著的影響。例如，純鈦板在變形過程中易產(chǎn)生沿板材橫向（TD）方向偏離±30°的基面雙峰織構(gòu)，其織構(gòu)組分為傾斜的｛0002｝＜10-10＞［4-5］。變形孿晶的大量產(chǎn)生可通過調(diào)整晶粒的取向，使織構(gòu)發(fā)生顯著變化，影響板材的各向異性，進(jìn)而對(duì)其使用性能產(chǎn)生影響。正是因?yàn)閷\晶可能會(huì)對(duì)純鈦板材的織構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響，長(zhǎng)期以來對(duì)純鈦板材軋制過程中孿生行為的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)之一。

2 純鈦軋制時(shí)的孿生類型

純鈦在室溫下的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，塑性變形時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以a系滑移為主，但由于a系滑移的可動(dòng)滑移系數(shù)量有限，因此也會(huì)伴有c＋a滑移的進(jìn)行。除滑移之外，孿生也是密排六方金屬中一種重要的協(xié)調(diào)塑性變形的方式。孿生（或?qū)\晶）是指晶體在切應(yīng)力的作用下沿著孿晶面和孿晶方向，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生連續(xù)的切變，變形后這部分晶體的取向發(fā)生改變，已經(jīng)變形的晶體和沒有變形的晶體關(guān)于孿晶面對(duì)稱。鈦及鈦合金中常見的孿生模式有｛10-12｝＜10-11＞、｛11-21｝＜11-2-6＞、｛10-11｝＜10-12＞、｛11-22｝＜11-2-3＞和｛11-24｝＜11-21＞等（圖3），其中｛10-12｝、｛11-21｝為拉伸孿晶，而｛10-11｝、｛11-22｝、｛11-24｝為壓縮孿晶。表2給出了鈦中常見孿晶的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 （a）｛10-12｝和（b）｛10-11｝孿晶示意圖［2］

孿生變形是單方向性切變，因此變形孿晶的類型取決于晶粒取向和外力間的幾何位置關(guān)系，以及載荷的類型（拉伸或壓縮）。Akhtar［6］在研究單晶鈦中的孿生系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，室溫下c軸與拉伸方向接近時(shí)，有利于｛10-12｝孿晶形成；c軸與拉伸方向成47°～60°角時(shí)，有利于｛11-22｝孿晶形成。Ishiyama等［7］也進(jìn)行類似的研究，發(fā)現(xiàn)拉伸軸與晶體c軸靠近時(shí)｛10-12｝孿生啟動(dòng)；當(dāng)夾角為30°～40°時(shí)，｛10-12｝和｛11-22｝孿生同時(shí)啟動(dòng)；而夾角在40°～50°時(shí)，｛11-21｝孿生啟動(dòng)；當(dāng)夾角位于70°～90°時(shí)，｛11-22｝孿生啟動(dòng)。同時(shí)，周圍晶粒與目標(biāo)晶粒的取向差也會(huì)影響晶粒內(nèi)的孿生變形。孿晶的切應(yīng)變和所需的臨界分切應(yīng)力也會(huì)對(duì)孿晶的產(chǎn)生有一定的影響，通常情況下，孿晶切變量和臨界分切應(yīng)力越小，孿晶越容易產(chǎn)生。

表2 純鈦中常見的孿晶類型

2.1 ｛10-12｝孿晶

當(dāng)純鈦板材受到沿著晶粒c軸方向的拉應(yīng)力或者垂直于c軸方向的壓應(yīng)力時(shí)，｛10-12｝拉伸孿晶就可能被激活。這種孿晶由｛10-12｝面上的原子層沿著＜-1011＞方向切變產(chǎn)生，相對(duì)于初始取向，在形變過程中孿生部分繞著＜1-210＞軸旋轉(zhuǎn)了大約85°。｛10-12｝孿晶的切應(yīng)變?yōu)?.167，是幾種常見孿晶中切應(yīng)變相對(duì)較小的一類。在表示孿晶時(shí)，軸角對(duì)是一種常用的方式，所以｛10-12｝孿晶通常用85°／＜11-20＞來進(jìn)行表示，取向差角分布圖中85°附近的峰值往往與該孿晶的大量存在有關(guān)。Xu等［8］在室溫下軋制純鈦并研究了｛10-12｝孿晶的產(chǎn)生機(jī)理，指出｛10-12｝孿晶會(huì)在兩個(gè)｛11-21｝壓縮孿晶的交叉處形成，可作為｛11-21｝孿晶中二次孿晶的一種變體。由于位錯(cuò)密度梯度的影響造成了｛10-12｝孿晶形成于｛11-21｝的交叉處，表明孿晶的形成通常不只是由應(yīng)力值大小單一因素決定的。Luo等［9］在研究純鈦低溫軋制變形過程中的孿生變形行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)低溫變形時(shí)｛10-12｝孿晶仍可大量產(chǎn)生。｛10-12｝孿晶在鈦材軋制變形中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)，所以在分析織構(gòu)演變時(shí)或者晶體取向時(shí)都需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.2 ｛11-21｝孿晶

｛11-21｝孿晶也是拉伸孿晶的一種，它的切變轉(zhuǎn)角約35°，切變量為0.638，遠(yuǎn)高于｛10-12｝孿晶。由于其產(chǎn)生所需的切應(yīng)力相對(duì)較大，在純鈦軋制變形過程中｛11-21｝孿晶較少出現(xiàn)。它們更多以二次孿晶的形式出現(xiàn)在一次孿晶內(nèi)，這可能是因?yàn)橐淮螌\晶出現(xiàn)后晶粒的內(nèi)應(yīng)力升高，更容易達(dá)到｛11-21｝孿晶形成所需的臨界切應(yīng)力。應(yīng)變速率升高可能促進(jìn)｛11-21｝孿晶的形成，許峰等［10］在研究準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形時(shí)，發(fā)現(xiàn)有少量｛11-21｝孿晶存在，但其數(shù)量相對(duì)于｛10-12｝孿晶量要仍然少很多。

2.3 ｛11-22｝孿晶

當(dāng)施加的壓力載荷與c軸平行或晶粒受到與c軸垂直方向的拉應(yīng)力時(shí)，｛11-22｝孿晶就可能被激活，因此該孿晶也稱為壓縮孿晶。｛11-22｝孿晶的軸角對(duì)關(guān)系為64°／＜-1100＞，可以看出該孿晶在圍繞＜-1100＞軸旋轉(zhuǎn)64°后可與母相重合。｛11-22｝孿晶的切應(yīng)變大小為0.225，雖然相比于｛10-12｝拉伸孿晶的切應(yīng)力要大，但是在純鈦軋制變形的初始階段，這種壓縮孿晶的數(shù)量可能會(huì)更占優(yōu)勢(shì)。許峰等［9］在對(duì)純鈦準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的變形行為進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，在取向差角為64°和85°的附近存在非常明顯的峰。在ε＝0.05～0.15的低應(yīng)變階段，｛11-22｝壓縮孿晶含量最高，其峰高明顯高于其他形變孿晶。這是因?yàn)閷\晶的產(chǎn)生載荷加載方向和晶粒初始狀態(tài)都會(huì)對(duì)孿晶的形成造成影響。Li等［11］研究純鈦中孿晶的特點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，｛11-22｝孿晶的形成同母相的取向存在著密切的關(guān)系，晶粒的Schmidt因子會(huì)對(duì)孿晶的形成產(chǎn)生重要影響。Sun等［12］研究細(xì)晶純鈦室溫下動(dòng)態(tài)塑性變形行為時(shí)發(fā)現(xiàn)｛11-22｝孿晶會(huì)大量形成且具有納米級(jí)尺寸，它們導(dǎo)致了材料織構(gòu)的改變。同｛10-12｝孿晶一樣，｛11-22｝孿晶也是一種在軋制變形過程中常見的孿晶類型，研究其產(chǎn)生和影響因素，對(duì)分析純鈦軋制變形中的微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變同樣非常重要。

2.4 其他孿晶類型

｛10-11｝孿晶也是一種壓縮孿晶，但與｛11-22｝孿晶相比，｛10-11｝孿晶較少在室溫軋制純鈦材中發(fā)現(xiàn)，一般認(rèn)為會(huì)在高溫變形時(shí)產(chǎn)生。Zeng［13］在400℃壓縮純鈦過程中發(fā)現(xiàn)，｛10-12｝孿晶在變形的初始階段比較活躍，當(dāng)變形量增大后｛10-11｝孿晶就會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位；｛10-11｝孿晶出現(xiàn)的位置相對(duì)特殊，與晶粒的大小密切相關(guān)。

｛11-24｝孿晶是一種比較特殊的孿晶，它的形成與溫度和應(yīng)變速率等密切相關(guān)，是一種在極端情況下才會(huì)出現(xiàn)的孿晶類型。通常情況下中｛11-24｝孿晶不會(huì)出現(xiàn)在室溫條件下靜態(tài)軋制的粗晶純鈦中。Luo等［9］在研究低溫軋制工業(yè)純鈦（TA2）時(shí)，在變形組織中發(fā)現(xiàn)了｛11-24｝孿晶的存在。由于該孿晶主要出現(xiàn)于極端變形情況，目前學(xué)術(shù)界對(duì)其特點(diǎn)的了解還相對(duì)有限，缺乏溫度變化或加工速率等因素對(duì)其影響的系統(tǒng)研究。

3 純鈦板中孿生行為的影響因素

3.1 雜質(zhì)元素

純鈦是指純度大于99%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鈦材料。根據(jù)雜質(zhì)含量，純鈦分為高純鈦（純度達(dá)99.9%）和工業(yè)純鈦（純度達(dá)99.5%）。工業(yè)純鈦有3種牌號(hào)，分別用TA＋順序號(hào)數(shù)字1、2、3表示，數(shù)字越大，純度越低［14］。劉偉等［15］研究間隙元素含量對(duì)一種新型近α鈦合金低溫力學(xué)性能的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)間隙元素會(huì)引起晶格的點(diǎn)陣畸變，降低其含量有利于低溫下位錯(cuò)滑移和變形孿晶的產(chǎn)生。幕偉意等［16］在研究應(yīng)變速率對(duì)SP700鈦合金α相中微孿晶形成的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，該種鈦合金在高應(yīng)變速率下的β相穩(wěn)定劑鉬元素可降低α鈦的層錯(cuò)能，促使其中產(chǎn)生了大量的形變孿晶。上述研究均表明雜質(zhì)元素會(huì)顯著影響鈦材中孿晶的產(chǎn)生，但相關(guān)的系統(tǒng)研究仍較少，有待繼續(xù)開展。

3.2 晶粒尺寸

鈦材中孿生變形通常會(huì)受到晶粒大小的影響。寶磊［17］在研究純鈦?zhàn)冃螌\晶的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)孿生容易在粗大晶粒的內(nèi)部發(fā)生。根據(jù)Hall-Petch關(guān)系可知，晶粒尺寸越大，位錯(cuò)的滑移距離將越遠(yuǎn)，位錯(cuò)在晶界附近的塞積就會(huì)越嚴(yán)重，引起晶界處應(yīng)力集中，從而誘發(fā)孿生。反之晶粒尺寸越小，晶界總體積分?jǐn)?shù)越高，位錯(cuò)滑移距離短，并且可以通過交滑移、非基面滑移、晶界滑移等過程來減少應(yīng)力集中，使得應(yīng)力狀態(tài)難以滿足孿晶形核的條件［18］。如果其他條件發(fā)生改變，如變形溫度很低或者變形速率較高時(shí)，細(xì)晶粒純鈦中也可能產(chǎn)生孿晶。此外，孿晶產(chǎn)生后會(huì)切割原始晶粒，起到晶粒細(xì)化的效果。Dyakonov等［19］在研究商業(yè)純鈦在經(jīng)歷大應(yīng)變軋制后材料微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變量在25%～75%時(shí)孿生變形比較活躍，而這階段的晶粒尺寸從10μm變到了1μm。

3.3 軋制溫度

溫度是影響孿晶形成的一個(gè)重要因素。通常情況下大部分金屬在溫度越低的變形條件下越容易產(chǎn)生孿晶，這表明孿生不是一個(gè)熱激活過程，而是應(yīng)力激活的過程。在低溫變形過程中，對(duì)于密排六方結(jié)構(gòu)的純鈦而言，在低溫下可以啟動(dòng)的滑移系有限，在變形過程中位錯(cuò)容易在晶界附近集中，形成應(yīng)力集中，為孿晶的形成提供了條件。同時(shí)，研究人員對(duì)工業(yè)純鈦及α鈦合金（如TA2、Ti-2.5Cu、Ti-5Al-2.5Sn［20］）在室溫或低溫下的力學(xué)行為進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，孿晶數(shù)量增加，使得材料在低溫反而具有更好的塑性。這表明低溫下活躍的孿生行為可使材料的變形性能更加優(yōu)良。Zherebtsov等［21］將純鈦板材在-196℃和20℃兩個(gè)溫度下進(jìn)行軋制，發(fā)現(xiàn)在相同變形量時(shí)，-196℃軋制后材料中孿晶的數(shù)量明顯高于20℃軋制時(shí)的情況。

在高溫變形過程中，原子移動(dòng)能力的增強(qiáng)使得密排六方金屬中非基面滑移的臨界分切應(yīng)力大大降低，它們的啟動(dòng)有助于協(xié)調(diào)密排六方金屬的塑性變形，減輕了變形過程中的應(yīng)力集中，降低孿晶的形核機(jī)率。Thota等［22］對(duì)α-Ti高溫變形行為的研究顯示，在700～900℃范圍內(nèi)各種變形量下均得到了再結(jié)晶或回復(fù)狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)孿晶的存在，這也說明孿晶在高溫變形過程中不容易產(chǎn)生。孿晶在高溫條件下產(chǎn)生的特例是｛10-11｝壓縮孿晶［13］，這可能與其特殊的形核條件有關(guān)，但目前學(xué)術(shù)界對(duì)其形核機(jī)理的理解仍不十分清楚。

3.4 軋制速率（應(yīng)變速率）

應(yīng)變速率是影響純鈦板材孿晶產(chǎn)生的又一重要因素。在塑性變形過程中，通常根據(jù)應(yīng)變速率的不同，把應(yīng)變速率低于10-5s-1時(shí)稱為靜態(tài)塑性變形；大于10-5s-1而小于102s-1時(shí)稱為準(zhǔn)靜態(tài)塑性變形；大于102s-1時(shí)則是動(dòng)態(tài)塑性變形［23］。應(yīng)變速率對(duì)孿晶的影響具有雙重效應(yīng)：一方面，應(yīng)變速率的增大易使材料在變形中溫度升高，促進(jìn)位錯(cuò)滑移并減少應(yīng)力集中，不利于孿晶的產(chǎn)生；另一方面，當(dāng)應(yīng)變速率過高時(shí)，加工硬化的效應(yīng)將大于溫度效應(yīng)，變形材料中的位錯(cuò)滑移受到抑制，在晶界附近容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而促進(jìn)孿晶的形核。程佑銘［24］研究不同應(yīng)變速率下純鈦微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變時(shí)，發(fā)現(xiàn)｛11-24｝壓縮孿晶這種較少出現(xiàn)的孿晶在室溫動(dòng)態(tài)塑性變形后可被大量觀察到。Xu等［25］的研究進(jìn)一步指出，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)塑性變形純鈦中均存在｛10-12｝、｛11-21｝、｛11-22｝孿晶，而｛11-24｝壓縮孿晶則只會(huì)在動(dòng)態(tài)塑性變形情況下才會(huì)出現(xiàn)。此外，Sun等［26］對(duì)超細(xì)晶α-Ti在室溫下進(jìn)行動(dòng)態(tài)塑性變形研究，發(fā)現(xiàn)在變形后的α-Ti中存在大量納米級(jí)的孿晶，說明動(dòng)態(tài)塑性變形在室溫下可以將晶粒細(xì)化到納米級(jí)。這些都表明，高應(yīng)變速率會(huì)對(duì)純鈦中的孿生行為產(chǎn)生顯著影響，甚至?xí)ぐl(fā)一些不常見的孿晶（如｛11-24｝壓縮孿晶）。

4 孿生對(duì)純鈦板組織和性能的影響

4.1 對(duì)微觀組織的影響

孿生對(duì)純鈦板材微觀組織的影響主要體現(xiàn)在對(duì)晶粒的細(xì)化。隨著變形量的增大，純鈦板中的孿晶數(shù)量逐漸增多，晶粒內(nèi)部的孿晶密度也隨之增加，當(dāng)孿晶數(shù)量增加到一定程度后，初生孿晶內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)細(xì)小的二次孿晶，甚至在二次孿晶內(nèi)出現(xiàn)三次孿晶。伴隨著孿晶數(shù)量的增加，孿晶與孿晶、孿晶與晶界之間的相互交割也在進(jìn)行，這就使得孿晶尺寸減小，原有晶粒也被細(xì)化。簡(jiǎn)言之，隨著應(yīng)變量的增加，孿生被進(jìn)一步激活，發(fā)生孿生的初始晶粒數(shù)量增加，產(chǎn)生的形變孿晶在晶粒內(nèi)部相互交割，逐漸細(xì)化原始晶粒。Chun等［27］在室溫軋制的純鈦板中發(fā)現(xiàn)，軋制過程中不僅有｛11-22｝壓縮孿晶和｛10-12｝拉伸孿晶，并且隨著變形量增大還在｛11-22｝壓縮孿晶內(nèi)出現(xiàn)了一些屬于拉伸孿晶的二次孿晶。隨著孿晶數(shù)量的增加，原始晶粒不斷被孿晶切割而細(xì)化，這也使得進(jìn)一步孿晶的產(chǎn)生變得困難。Zherebtsov等［28］在研究純鈦軋制過程中晶粒和亞晶演變行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)變量在0.1～0.36范圍時(shí)，孿晶的不斷產(chǎn)生使得原始組織被分割細(xì)化。Bozzolo等［29］對(duì)純鈦室溫軋制80%后的組織進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，其微觀組織主要出現(xiàn)兩類特征：一是存在大量剪切帶和非常細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)；另一個(gè)是片層結(jié)構(gòu)組成的未發(fā)生孿生的區(qū)域。

軋制后的純鈦板材中存在大量孿晶，并伴隨著位錯(cuò)大量增值導(dǎo)致晶粒內(nèi)部的能量升高。孿晶界處較高的能量可能使得后續(xù)退火時(shí)在孿晶界處優(yōu)先發(fā)生再結(jié)晶形核。需要指出，目前關(guān)于孿晶對(duì)純鈦板材再結(jié)晶行為影響的研究還較少，有待更多針對(duì)性工作的開展。

4.2 對(duì)織構(gòu)的影響

孿晶對(duì)織構(gòu)的影響是通過對(duì)晶粒原有晶體取向的改變實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)軋制退火工藝生產(chǎn)的純鈦板材大多擁有典型的基面雙峰織構(gòu)特征，峰值分布從板材法向（ND）向TD方向偏離約±30°［27］。對(duì)鈦板進(jìn)行后續(xù)加工時(shí)，當(dāng)變形量不大時(shí)（≤40%），大量的孿晶的產(chǎn)生可使晶體的取向隨機(jī)化，弱化初始的基面織構(gòu)特征。而當(dāng)變形量超過40%后，組織中的孿晶逐漸消失，滑移取代孿生成為主要的變形方式，孿晶對(duì)織構(gòu)的影響逐漸消失，其織構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕c初始態(tài)相似的基面雙峰織構(gòu)［19，29-30］。與此同時(shí)，織構(gòu)的存在也可能促進(jìn)孿晶的產(chǎn)生，例如，Tirry［31］在研究純鈦中的孿晶類型時(shí)，發(fā)現(xiàn)在（0002）極圖上偏離TD方向35°的雙峰狀的初始織構(gòu)對(duì)｛10-12｝孿生變形是有利的。Liu等［32］在研究工業(yè)純鈦板材冷軋和退火過程中顯微組織與織構(gòu)演變時(shí)，發(fā)現(xiàn)軋制過程中同時(shí)產(chǎn)生了｛11-22｝孿晶和｛10-12｝孿晶，導(dǎo)致沿著TD方向的織構(gòu)隨著變形量的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。

4.3 對(duì)力學(xué)性能的影響

孿晶對(duì)純鈦力學(xué)性能的影響首先體現(xiàn)在硬度上，隨著變形量升高，純鈦板材的硬度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。這是由于隨著變形量的增大，組織中出現(xiàn)了大量的孿晶界面；它們對(duì)材料強(qiáng)化的作用方式與晶界類似，可有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)外加切應(yīng)力越大，孿晶界面上塞積的位錯(cuò)數(shù)量越多，在孿晶界面上引起的應(yīng)力集中就越高。孿晶強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化的機(jī)理類似，都是利用增多的晶界阻礙位錯(cuò)的滑移，從而使材料的強(qiáng)度升高。

純鈦板材在室溫軋制過程中塑性在下降，這是因?yàn)閷\晶數(shù)量越多，晶粒尺寸越細(xì)小，協(xié)調(diào)塑性變形就會(huì)愈加困難。當(dāng)加工變形量達(dá)到60%，在軸向拉應(yīng)力、周向壓應(yīng)力的加載方式下，大部分的晶粒取向產(chǎn)生顯著變化，取向趨于一致，這降低了位錯(cuò)穿過晶界的阻力，使材料塑性上升；但是隨著加工變形量的進(jìn)一步增大，位錯(cuò)滑移減弱，孿晶形變?cè)鰪?qiáng)，材料的塑性值又開始下降。Nemat-Nasser等［33］在較寬溫度范圍內(nèi)（-196～727℃）的壓縮變形實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，整個(gè)變形溫度內(nèi)都能觀察到形變孿晶，中溫形變的加工硬化速率曲線呈現(xiàn)3個(gè)階段，同時(shí)他們還指出，孿晶對(duì)塑性變形的影響不明顯。Garde等［34］曾經(jīng)指出當(dāng)鈦在-196℃下變形，孿晶能提供約1／3的形變量。

此外，對(duì)多晶體而言，其力學(xué)各向異性主要受單晶體（晶粒）本身各向異性和多晶體取向分布（織構(gòu)）的雙重影響。Won等［35］研究了具有典型軋制織構(gòu)的高純鈦的變形各向異性，結(jié)果表明軋制織構(gòu)通過影響Schmidt因子，進(jìn)而影響滑移系和變形孿晶的啟動(dòng)，最終使得高純鈦在軋制方向（RD）、TD和ND方向表現(xiàn)出各向異性。Roth等［36］研究了不同變形速率下織構(gòu)對(duì)軋制鈦板在RD和TD方向拉伸各向異性的影響，結(jié)果表明由于軋制雙峰織構(gòu)的存在，RD方向的晶粒取向有利于柱面滑移，而TD方向的晶粒取向使得錐面滑移更容易進(jìn)行，使得TD方向的屈服強(qiáng)度明顯高于RD方向；由于RD方向的應(yīng)變硬化大于TD方向，使得RD方向的延伸率始終大于TD方向的延伸率。Liu等［37］研究不同軋制路徑對(duì)工業(yè)純鈦板材的各向異性時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同軋制路徑下獲得的孿晶類型不同，因此產(chǎn)生的織構(gòu)類型也不同，對(duì)各向異性有顯著的影響。

5 結(jié)束語

純鈦板材作為一種應(yīng)用廣泛的金屬材料，在軋制過程中容易發(fā)生孿生變形，導(dǎo)致純鈦的微觀組織、織構(gòu)及力學(xué)性能發(fā)生改變。純鈦板的軋制過程中最常見的孿晶類型包括｛10-12｝＜10-11＞、｛11-21｝＜11-2-6＞和｛11-22｝＜11-2-3＞。這些孿晶的產(chǎn)生與材料的本身因素（雜質(zhì)元素、晶粒尺寸等）及軋制條件（溫度、應(yīng)變量、應(yīng)變速率等）都有著密切關(guān)系。

雖然研究人員近年對(duì)不同加工條件下純鈦的孿生行為特點(diǎn)進(jìn)行了較多細(xì)致、深入的研究，但由于孿晶的產(chǎn)生會(huì)受到多種因素的影響，且其形核發(fā)展速度非?？?，目前學(xué)術(shù)界對(duì)鈦材中孿生行為的理解還不夠透徹。鈦板軋制過程中孿晶（特別是｛10-12｝、｛11-22｝等主要孿晶類型）的形核長(zhǎng)大機(jī)理、雜質(zhì)元素對(duì)孿晶發(fā)展的影響，以及它們對(duì)后續(xù)退火中回復(fù)再結(jié)晶行為的影響等問題，應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)研究。