應變速率對室溫下90°等通道轉角擠壓變形工業純鈦拉伸性能的影響

劉曉燕，趙西成，楊西榮，張 凱，解 晨

（西安建筑科技大學冶金工程學院，西安710055）

0 引 言

鈦及鈦合金以其良好的生物相容性、耐腐蝕性和綜合力學性能等被廣泛應用于航空航天、汽車、生物醫用材料等諸多領域［1－2］。等通道轉角擠壓（ECAP）是制備高性能塊狀超細晶材料常用的劇烈塑性變形方法之一［3－4］，采用該技術已經成功制備了超細晶工業純鈦材［5－16］。由于工業純鈦室溫塑性變形能力差，早期的ECAP變形大多采用提高溫度的方法（通常在300～450℃）來實現［5－12］。趙西成等［13－14］在對工業純鈦室溫ECAP變形過程中試樣內部應力分布的理論分析和3D有限元模擬的基礎上，首次在室溫下采用120°模具實現了工業純鈦ECAP的8道次變形，成功制備出了超細晶工業純鈦。近年 來，Zhang等［15］和 Dheda等［16］也 陸 續 在室溫下成功實現工業純鈦ECAP的1道次和2道次變形，但其擠壓速度較低。作者在前期研究的基礎上，通過改變模具參數和工藝條件，已成功實現了在室溫下采用90°模具對工業純鈦進行1道次ECAP變形，擠壓速度為3.5mm·s－1。

目前，國內外對ECAP變形工業純鈦的拉伸性能進行了較多研究，但是這些研究大多是在固定應變速率的條件下進行的［17－19］，只有極少數是在不同應變速率條件下進行的［20］。趙西成等［17－19］研究了采用120°模具ECAP變形后的工業純鈦，在室溫下以固定的拉伸速度變形后的力學性能，結果表明ECAP變形后工業純鈦的屈服強度、抗拉強度大幅提高，并且還保持了較好的斷裂伸長率。Jia等［20］研究了ECAP溫變形（450℃）超細晶工業純鈦的室溫力學性能，結果表明應變速率對ECAP變形工業純鈦的拉伸性能影響較大，尤其是在高應變速率下。變形溫度和模具參數對ECAP變形工業純鈦的組織和性能有著重要的影響，因此作者在室溫下采用90°模具對工業純鈦進行ECAP變形，之后在不同應變速率下進行單向拉伸試驗，研究了應變速率對其拉伸性能的影響，并分析了其拉伸斷口形貌。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用材料為熱軋態工業純鈦（TA2）板材，其化學成分如表1所示。

表1 試驗用工業純鈦的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of test commercial pure titanium （mass）%

將試驗純鈦板加工成18mm×18mm×70mm的ECAP試樣，然后放入兩通道夾角為90°，外圓角為20°的等通道轉角擠壓模具中，在室溫下進行1道次ECAP變形，擠壓速度為3.5mm·s－1。沿變形試樣的橫截面和縱截面截取金相試樣，用水、氫氟酸、硝酸的體積比為100∶1.5∶3的混合液腐蝕試樣，然后采用奧林巴斯GX71型光學顯微鏡觀察其顯微組織。在室溫下對ECAP變形后的工業純鈦（后簡稱ECAP工業純鈦）試樣進行拉伸試驗，拉伸試樣為板狀，標距部分尺寸為10mm×3mm×2mm。拉伸軸方向與ECAP擠壓方向一致。拉伸試驗在MTS－810型電子拉伸試驗機上進行，拉伸應變速率分別為0.001 7，0.01，0.1s－1，并利用設備自帶的數據采集系統記錄相應的拉伸試驗數據，據此確定ECAP工業純鈦的屈服強度和抗拉強度。通過測量拉伸前后試樣的標距長度，計算相應的斷裂伸長率。采用XL－30ESEM型場發射掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣的斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 ECAP工業純鈦的顯微組織

由圖1可以看出，ECAP工業純鈦橫截面上的晶粒基本保持著等軸狀，但晶粒內部發生了劇烈的塑性變形，組織中存在大量孿晶；其縱截面上的晶粒明顯被拉長，具有顯著的方向性，與ECAP擠出方向呈約27°的夾角，這與文獻［21］中ECAP變形1道次后的剪切特征吻合。

圖1 室溫下經ECAP變形后工業純鈦的顯微組織Fig.1 Microstructure of commercial pure titanium after ECAP at room temperature：（a）transverse plane and（b）longitudinal plane

2.2 應變速率對變形后工業純鈦拉伸性能的影響

由圖2可以看出，ECAP工業純鈦的抗拉強度和屈服強度隨應變速率的變化趨勢大致相同，都是隨著應變速率的增大而不斷升高；伸長率則隨應變速率增加而降低。隨著應變速率由0.001 7s－1升至0.1s－1時，ECAP工業純鈦的斷裂伸長率由17.9%減至14.9%，抗拉強度由780MPa增至926MPa。應變速率在0.001 7～0.01s－1區間內對伸長率的影響不大，僅從17.9%降低至17.6%。對金屬材料而言，通常隨著應變速率的增加，位錯運動速率增加，從而增大了位錯滑移的阻力，對材料產生強化作用［22］。一般認為，當應變速率不大時，隨著應變速率的提高塑性降低，這可能是由于在變形過程中，加工硬化的速度超過了軟化的速度，加工硬化及位錯受阻而形成內裂紋［23］。工業純鈦在室溫下的晶格類型為密排六方結構，獨立的滑移系較少，其塑性變形的主要方式為滑移和孿生。在靜態拉伸條件下（應變速率為10－5～10－1s－1），滑移的臨界分切應力小于孿生的，因此塑性變形以滑移為主。但滑移的臨界分切應力對應變速率較為敏感，它隨應變速率的增加而增加。因此，對工業純鈦來說，隨著應變速率的增加，滑移的臨界分切應力增加，位錯滑移需要更大的應力，使得材料的強度增加，塑性降低。

圖2 應變速率對ECAP工業純鈦拉伸性能的影響Fig.2 Effect of strain rate on tensile properties of commercial pure titanium after ECAP

2.3 應變速率對加工硬化的影響

加工硬化曲線表示金屬材料在一定組織狀態和變形條件下，宏觀應力隨應變變化的規律，它常借助單軸拉伸試驗測定。常用工程材料的加工硬化曲線用Ludwik關系來描述：

式中：σ為真應力；ε為真應變；K為強度因子；n為加工硬化指數。

在雙對數坐標中，該數學模型為直線，加工硬化指數d（1nσ）／d（lnε）為常數，這意味著它適合描述雙對數坐標中為直線的加工硬化曲線。

由單向拉伸試驗數據可求出不同應變速率下ECAP工業純鈦的加工硬化曲線在雙對數坐標中的形狀，如圖3所示。所有的拉伸試樣均表現出了明顯的頸縮，而且在拉伸過程中產生了非常小的加工硬化。應變速率為0.001 7s－1時，ECAP工業純鈦的加工硬化曲線在接近抗拉強度時略呈下撓狀，其在線性階段的加工硬化指數為0.07。而應變速率為0.01s－1和0.1s－1時，加工硬化曲線則近似直線，加工硬化指數分別為0.05和0.04。采用最小二乘法進行線性擬合得到的相關系數高達0.98，因此可以采用該加工硬化模型。另外，隨著應變速率的增加，材料的加工硬化指數減小，加工硬化能力降低。大多數金屬材料的加工硬化指數分布在0.1～0.5 之 間［24］，粗 晶 工 業 純 鈦 的 加 工 硬 化 指 數 在0.15［25］左右。可見經ECAP變形后，工業純鈦的加工硬化能力顯著降低。劇烈塑性變形后材料的應變硬化能力降低是因為材料內部位置的平均自由程降低［26］，或者拉伸變形過程中易發生動態回復［27］而造成的。Ko［28］采用動力學方程描述了與動態回復相關的位錯密度變化，他認為在靜態拉伸條件下，位錯有充足的時間移動到晶界內，導致位錯堆積減少，加工硬化能力降低。

圖3 雙對數坐標中ECAP工業純鈦在不同應變速率下的加工硬化曲線Fig.3 Strain hardening curves of commercial pure titanium after ECAP at different strain rates in double logarithm coordinate

2.4 應變速率對拉伸斷口形貌的影響

由圖4可見，ECAP工業純鈦的拉伸斷口區域存在大量韌窩，表現出了典型的韌性斷裂特征；在韌窩底部存在一些小孔洞，這是斷裂起始位置，這些孔洞可能是雜質所產生的。

拉伸斷口上韌窩的形成主要是位錯滑移的結果，反映了ECAP工業純鈦在靜態拉伸條件下是以位錯滑移為主。另外，隨應變速率的增加，斷口韌窩明顯變淺，變形程度降低，而應變速率較低時，如圖4（a）～（b），韌窩內部較粗糙且較深，斷面起伏較大，這說明在孔洞連接過程中消耗了相當大的變形能，材料的韌性較好。

3 結 論

（1）應變速率由0.001 7s－1升至0.1s－1時，ECAP工業純鈦的斷裂伸長率由17.9%減至14.9%，抗拉強度由780MPa增至926MPa，應變硬化指數由0.07降低到0.04，隨應變速率的升高，表現出了較強的應變速率敏感性。

（2）室溫下，ECAP工業純鈦以不同應變速率拉伸變形后，斷口表現出韌性斷裂特征，且韌窩深度隨應變速率的增加而變淺。

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