【摘 要】
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钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好等优点,被广泛应用于航空、航天、化工等领域。变形加工是钛合金部件的主要成型工艺。作为密排六方结构金属重要的塑性变形机制,形变孪生能够在提高钛强度的同时不损失塑性,因而在钛板中引入高密度孪晶是提高其力学性能的重要思路。不同类型孪生及变体对钛的微观组织与力学性能影响各异,阐明变形过程中孪生择优规律及孪晶与其他界面间的相互作用,是实现对变形组织和织构的预测和调控的基础,
【基金项目】
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国家重大专项（No.2016YFB0300801）； 中央高校基本科研业务费专项资金； 2015-2018年,国家自然科学基金（No.51401019）:“密排六方金属深低温轧制孪生变形机理及微观组织、织构演变规律研究”；
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钛及钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好等优点,被广泛应用于航空、航天、化工等领域。变形加工是钛合金部件的主要成型工艺。作为密排六方结构金属重要的塑性变形机制,形变孪生能够在提高钛强度的同时不损失塑性,因而在钛板中引入高密度孪晶是提高其力学性能的重要思路。不同类型孪生及变体对钛的微观组织与力学性能影响各异,阐明变形过程中孪生择优规律及孪晶与其他界面间的相互作用,是实现对变形组织和织构的预测和调控的基础,对设计和开发高性能板材有着重要的理论意义和现实意义。TA2工业纯钛是应用最为广泛的α型变形钛合金之一,本文以TA2工业纯钛为研究对象,通过深低温轧制和调控初始织构对钛板进行预变形处理,在板中引入不同类型及含量的孪晶,改善板材的性能。在此基础上,利用电子背散射衍射技术（EBSD）着重研究了力学性能最优、孪晶含量最丰富的深低温轧制A板（初始织构ND//c轴）,系统阐述了深低温轧制变形过程中钛的变形机制和孪生行为:利用广义Schmid定律研究了深低温轧制A板中占主导地位的{1122}和{1124}孪晶的变体择优规律,研究了 {1122}和{1124}孪晶在晶粒内的应变协调以及相关的次序孪晶现象,阐述了 {1122}和{1124}孪晶在晶界上的应变协调和传播规律,探究深低温轧制A板孪晶含量丰富的原因,为开发制备高性能钛板材提供理论支持。主要研究成果如下:（1）深低温变形条件和ND//c轴的初始织构能够在小变形量在板材中引入大量的{1122}和{1124}压缩孪晶,使A板具有高强度和良好的塑性。（2）系统研究了深低温轧制A板中孪晶变体择优规律,发现绝大部分{1122}和{1124}一次孪晶的变体择优遵循广义Schmid定律,广义Schmid因子分布极图表明基面织构有利于这两种孪晶的激发;发现了三种类型的{1124}-{1012}双孪晶,其中与基体晶粒取向差成39.5°<2243>的GA变体具有最好的自应变协调能力,具有大的广义Schmid因子的GA变体优先产生。（3）深低温轧制A板中,当同晶粒内取向差为12.4°<1100>的{1122}和{1124}孪晶发生交互时,形成了{1012}二次孪晶。这种{1012}二次孪晶能够协调{1122}孪晶产生的应变,允许{1122}孪晶穿过{1124}孪晶继续传播。（4）发现{1122}次序孪晶现象,在同晶粒内的{1124}一次孪晶的孪晶界上或者{1122}和{1124}一次孪晶交叉处产生,不遵循广义Schmid定律。该次序孪晶的产生能够协调相邻孪晶产生的应变,其孪生形核能够被基面滑移位错在相邻孪晶的孪晶界上的解离过程所促进。次序孪晶机制有助于激发更多的{1122}孪晶,缓解基面滑移与孪晶界的交互产生的局部应力集中。（5）提出m’因子-晶界取向差分布图（即m’-GBM图）的概念及其计算方法。m’-GBM图能够预测对孪生或滑移传输有利和不利的晶界取向差,对六方金属以及其他结构金属的初始材料选择和晶界设计有着指导意义。基于m’-GBM图,对深低温轧制A板中{1122}和{1124}孪晶跨晶界传播机制进行研究,预测了{1122}-{1122}、{1122}-{1124}和{1124}-{1124}三种孪晶结对与晶界取向差的关系,即较小角度晶界（<15°）有利于{1122}-{1122}和{1124}-{1124}孪晶结对的产生,而中等角度取向差（15°-40°）的晶界有利于{1122}-{1122}和{1122}-{1124}孪晶结对的产生。利用EBSD统计结果验证了预测,发现局部应变协调对这三种孪晶结对的形成起了决定性作用。深低温轧制A板中的{1122}和{1124}孪晶相互配合,可以通过具有更大角度的晶界,形成更多的孪晶,是该板中孪晶丰富的重要原因。根据m’-GBM图进行初始材料的晶界设计是调控孪晶类型与含量、提高材料性能的重要思路。本文的研究成果是对钛深低温条件下变形机制和孪生行为的系统阐述,对实现变形组织和织构的预测和调控有着重要的意义。本文提出的深低温预变形方法,对钛变形加工过程中的强韧化工艺设计有着一定的指导意义。
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