预变形工业纯钛板拉伸力学行为及变形机制研究综述

预变形工业纯钛板拉伸力学行为及变形机制研究综述

1 引言

工业纯钛（CP-Ti）因比强度高、耐蚀性和生物相容性优异，被广泛应用于航空、化工及生物医学领域。然而，密排六方（HCP）晶体结构与轧制板材典型的基面织构导致其在室温下塑性成形能力有限。CP-Ti的主要变形模式包括柱面<a>滑移、基面<a>滑移、锥面<c+a>滑移以及<10-1-1>拉伸孪生（ET）和<11-2-3>压缩孪生（CT）。预变形可通过引入位错和孪晶改变初始组织，从而影响后续拉伸过程中的力学响应和织构演化。准确描述孪生/退孪生行为对预测应变路径改变下的宏观-微观变形至关重要。

郭晓倩团队、赵玲玉团队等人在Journal of Alloys and Compounds期刊上发表了题为“Mechanical behavior and deformation mechanisms of rolled commercially pure titanium sheet under tensile loading after pre-deformation"的文章。采用宏观力学测试、电子背散射衍射（EBSD）表征和弹性黏塑性自洽-孪生退孪生（EVPSC-TDT）晶体塑性模型，系统研究了轧制CP-Ti板在沿轧向（RD）预拉伸/预压缩后再沿横向（TD）拉伸的力学行为与变形机制，揭示了预存位错和孪晶对后续变形的调控作用。

2 实验与EVPSC-TDT模型

2.1 材料与实验方案

研究材料为5 mm厚热轧工业纯钛板（Grade 1），经650 °C退火90 min以消除残余应力和初始位错。样品设计如Fig.1所示：预拉伸样品为标距40 mm的狗骨状试样，预压缩样品为5 mm×10 mm（RD）×12 mm（TD）的矩形块，后续再沿TD进行单轴拉伸。预变形量控制为5%和10%，后续拉伸至3%、6%或断裂。样品命名规则为“RDc/tx%-TDty%"，表示沿RD预压缩/预拉伸x%后再沿TD拉伸y%。采用JSM-5900扫描电镜配备Oxford-HKL Nordlys EBSD系统进行微观组织表征，扫描步长1.5 μm。

Fig. 1 预变形与后续拉伸样品示意图及加载路径。

Fig.2展示了初始CP-Ti的微观组织。反极图（IPF）、带对比（BC）、散点极图（PF）和极图分析表明材料呈典型双峰基面织构，平均晶粒尺寸约32 μm。

Fig. 2 初始CP-Ti微观组织：(a) IPF图，(b) BC图，(c) 散点PF图，(d) PF图。

2.2 EVPSC-TDT模型

为模拟应变路径改变下的孪生/退孪生行为，采用EVPSC-TDT晶体塑性模型。TDT方案将孪生相关过程划分为四种操作：A（孪晶形核）、B（孪晶长大）、C（孪晶收缩）和D（再孪生）。A、B使孪晶体积分数（TVF）增加，C、D使TVF减小。引入累积孪晶分数Vacc和有效孪晶分数Veff，并设置阈值体积分数Vth=min(1.0, A1+A2·Veff/Vacc)以限制孪晶化。滑移/孪生系统的临界分切应力（CRSS）演化采用Voce硬化律描述。模型考虑的滑移系包括柱面<a>、基面<a>和Π1锥面<c+a>滑移；孪生系为ET和CT。模型参数通过拟合单调加载应力-应变曲线（RD0%-RDc、RD0%-RDt、RD0%-TDt）确定，Affine自洽方案用于描述多晶相互作用。

3 结果

3.1 力学行为与模型验证

Fig.3给出了沿TD拉伸时不同预变形条件下的真应力-真应变曲线及应变硬化率演化。与未预变形样品（RD0%-TDt）相比，所有预变形样品的后续屈服强度均显著提高，且提升幅度与预变形量正相关。预拉伸导致的屈服强度增幅大于预压缩，说明预拉伸引入的位错强化效应强于预压缩引入的孪晶强化效应。同时，预变形使后续应变硬化行为减弱：低预拉伸应变样品呈两阶段硬化（快速下降-逐渐稳定），高预拉伸应变样品呈三阶段硬化（快速下降-轻微上升-逐渐稳定）；而预压缩样品均表现为快速下降-缓慢下降的趋势。

Fig. 3 沿TD拉伸时不同预变形条件的(a)应力-应变曲线和(b)应变硬化率演化。

Fig.4对比了单调加载和应变路径改变下实验与EVPSC-TDT模型预测的应力-应变曲线。模型在所有加载条件下均与实验数据吻合良好，验证了模型参数和本构建模的可靠性。各滑移/孪生系统的硬化参数通过独立拟合确定，并统一用于预测应变路径改变行为。

Fig. 4 实验与EVPSC-TDT模型预测的应力-应变曲线对比：(a)单调加载，(b)应变路径改变。

3.2 微观组织与织构演化

Fig.5展示了预变形后样品的IPF、KAM、GB&TB、散点PF、织构组分体积分数及平均KAM分布。预拉伸5%时形成约4%的压缩孪晶，平均KAM为0.26；预拉伸10%时局部塑性变形更显著，平均KAM升至0.41，TVFCT达7.2%，晶粒c轴向RD和ND轻微偏转，RD-40和ND-40组分增加，TD-40组分降低约18%。预压缩则产生大量拉伸孪晶，TVFET随预应变升高显著增加（RDc10%时达51%），RD-40织构组分增强约50%，表明c轴向RD大规模旋转，拉伸孪生是预压缩阶段的主导机制。

Fig. 5 预变形后微观组织：(a) IPF图，(b) KAM图，(c) GB&TB图，(d) 散点PF图，(e) 织构组分体积分数，(f) 平均KAM分布。

Fig.6为后续沿TD拉伸至3%和6%后的微观组织。未预变形样品在TDt3%时生成2.5% ET和0.5% CT，TDt6%时分别增至6.1%和1.8%。预拉伸样品在后续拉伸中主要激活新的拉伸孪晶，同时预存的压缩孪晶发生退孪生，两者竞争随应变增加而加剧。预压缩样品则表现出不同的孪生响应：后续拉伸初期激活拉伸孪晶，但随着应变增加退孪生行为显著，同时有少量新的压缩孪晶生成。

Fig. 6 后续TD拉伸至3%和6%后的微观组织。

Fig.7和Fig.8分别给出了后续拉伸过程中的纹理演化及织构组分定量变化。未预变形样品保持类似初始的基面织构，c轴集中在与ND成40°–60°方向。预拉伸样品中c轴向TD和RD部分旋转，形成弱的<0001>//RD织构。预压缩样品则在后续拉伸中显著强化<0001>//RD织构（RDc5%-TDt3%时RD-40达34.1%，RDc10%-TDt6%时达46%），体现了拉伸孪生主导下的晶格再取向。低预应变时RD-40组分持续增加，而高预应变时由于预存孪晶和位错的抑制作用，RD-40反而呈下降趋势。

Fig. 7 预变形样品后续TD拉伸至3%和6%的实验与预测纹理演化。

Fig. 8 沿TD拉伸时各织构组分体积分数演化。

4 讨论

4.1 预变形对后续变形机制的影响

Fig.9给出了单调加载下三种典型路径的滑移/孪生相对活性。RD0%-RDt以柱面滑移为主，压缩孪生活性可达10%；RD0%-RDc中柱面滑移与拉伸孪生共同主导，拉伸孪生活性在真应变约9%时达峰值40%后下降；RD0%-TDt中初始阶段柱面滑移（58%）、拉伸孪生（33%）和基面滑移（8%）共同贡献，随后拉伸孪生活性快速下降。

Fig. 9 单调加载下相对滑移/孪生活性：(a) RD0%-RDt，(b) RD0%-RDc，(c) RD0%-TDt。

Fig.10展示了应变路径改变全过程中滑移/孪生活性及孪晶体积分数演化。预拉伸后再沿TD拉伸的滑移/孪生活性与未预变形样品相似，表明力学性能提升主要源于预引入位错的强化作用。预压缩样品则显著不同：后续拉伸初期以柱面滑移和拉伸孪生为主，随应变增加拉伸孪生活性快速下降，基面滑移成为次要主导模式；模型中操作C和操作D被激活，说明预压缩 twins促进了后续退孪生。

Fig. 10 应变路径改变下相对滑移/孪生活性及ET/CT体积分数演化。

Fig.11定量给出了后续TD拉伸过程中拉伸孪晶和压缩孪晶的体积分数演化。未预变形样品中ET单调增加，CT积累很少。预拉伸促进ET持续增长，但诱导显著的CT退孪生（RDt5%-TDt中TVFCT下降）。预压缩通过操作A使ET体积分数增加，但随应变增加TVFET下降，退孪生占主导，这与应变硬化率降低一致。

Fig. 11 后续TD拉伸过程中ET和CT体积分数演化。

4.2 滑移与孪生行为的晶体学分析

为识别激活滑移系，采用晶内取向差轴（IGMA）结合Schmid因子（SF）分析。Fig.12展示了不同加载路径下局部晶粒的IPF、KAM、GB&TB、IGMA、散点PF及SF。预拉伸样品中基体晶粒G1–G5主要以柱面滑移为主，部分晶粒同时激活锥面滑移；预压缩产生的孪晶内部则以基面和锥面滑移为主。预压缩导致柱面、基面和锥面滑移共同激活，与Fig.10预测一致。

Fig. 12 不同加载路径下局部晶粒取向与滑移激活：(a) IPF图，(b) KAM图，(c) IGMA图，(d) 散点PF图，(e) SF值。

Fig.13给出了TD拉伸时柱面、基面和锥面滑移以及预变形后实测织构的SF极投影分布。柱面滑移在c轴与加载方向夹角θb<30°时最易激活（SF>0.4），基面滑移主导区间为30°<θb<60°。预拉伸后晶粒取向集中在TD-ND面35°–60°范围，有利于基面滑移；预压缩使c轴向RD旋转，θb<40°区域增多，有利于柱面滑移。

Fig. 13 TD拉伸时(a)柱面、(b)基面、(c)锥面滑移及(d)预变形后实测织构的SF极投影分布。

Fig.14分析了孪生SF分布。ET在c轴与加载方向夹角0°–25°时SF较高（>0.4），CT在70°–90°时SF较高。未预变形样品中12.4%晶粒利于孪生激活；预拉伸5%后该比例升至18.5%，更利于后续ET激活；预压缩后晶粒再取向抑制了后续ET激活（RDc10%仅6.8%晶粒利于ET），但利于CT的晶粒比例增加（RDc10%达15.3%），然而由于CT的CRSS较高，实际CT生成有限。

Fig. 14 (a1b1) ET和(a2b2) CT的SF分布及统计。

Fig.15和Fig.16通过局部晶粒取向、SF和KAM图进一步揭示孪生/退孪生机制。RDt10%样品中，母晶P1的CT SF较高而P2、P3的ET SF较高；CT1以正SF保持稳定或轻微长大，CT2因CT SF为负而倾向于退孪生或形成新的ET。RDt10%-TDt3%中观察到CT-ET二次孪生。RDc10%样品中，母晶P1的ET SF较高利于ET形核，但预存ET晶粒ET1、ET2的ET SF为负、CT SF为正，发生ET退孪生或形成新的CT；RDc10%-TDt3%中观察到ET-CT二次孪生。

Fig. 15 预变形RDt10%和RDc10%中局部晶粒取向与SF。

Fig. 16 应变路径改变RDt10%-TDt3%和RDc10%-TDt3%的局部晶粒取向与KAM图。

Fig.17统计了不同预变形条件下孪晶结构内ET和CT的SF分布。预压缩样品中91%–96%的ET晶粒具有负ET SF，表明预压缩形成的ET在后续TD拉伸中极易发生退孪生。预拉伸样品中19.5%–25%的CT晶粒具有负CT SF，同时11%–20%具有较高正SF，说明预拉伸样品中CT更易发生退孪生，且预应变越高退孪生越明显。

Fig. 17 预变形后孪晶结构中ET和CT的SF分布直方图。

基于上述分析，Fig.18示意了应变路径改变下的主要孪生/退孪生机制。预拉伸样品后续TD拉伸中存在三种行为：（1）预存CT内SFET为正时形成新的ET二次孪晶；（2）预存CT的SFCT为负时发生CT退孪生；（3）母晶内SFET为正时形成新的ET。预压缩样品后续TD拉伸中也存在三种行为：（1）预存ET内SFCT为正时形成新的CT二次孪晶；（2）预存ET的SFET为负时发生ET退孪生；（3）母晶内SFET为正时形成新的ET。

Fig. 18 应变路径改变下孪生/退孪生机制示意图。

5 结论

本研究结合实验表征与EVPSC-TDT晶体塑性模拟，系统揭示了预变形对轧制CP-Ti板后续TD拉伸力学行为与变形机制的影响，主要结论如下：（1）预变形显著提高后续屈服强度，预拉伸的位错强化效应强于预压缩的孪晶强化效应，但预变形同时削弱了后续应变硬化能力；（2）EVPSC-TDT模型可准确预测应变路径改变下的力学响应，预变形降低了柱面滑移相对活性，略微增加基面滑移和拉伸孪生活性，预压缩更利于柱面滑移，预拉伸更利于拉伸孪生；（3）预拉伸样品后续变形中主要发生ET形核、CT退孪生和CT-ET二次孪生；预压缩样品则主要发生ET形核、ET退孪生和ET-CT二次孪生；（4）预孪晶和预位错密度越高，后续退孪生行为越显著，是控制应变路径改变下力学性能与织构演化的关键因素。