高性能织构可控钛及钛合金薄带卷冷轧关键技术开发论文_张士宏,余叙斌

图6 两种板材的工程应力—工程应变曲线

(b) 华生TA1

(b) 住友GR2

图7 两种板材的真应力—真应变曲线

2.3 表面粗糙度测试

2.3.1试验过程

用线切割机切取10mm×10mm大小的粗糙度试验样件，如图8所示。在MicroXAM-3D非接触式三维表面形貌仪上进行表面粗糙度测试，粗糙度测试分为两种：线扫和面扫，线扫长度为725μm，面扫面积为725μm×725μm，扫描位置为正面和反面各一次，得到结果如表5，6所示。

图8 粗糙度试验样件

2.3.2试验结果与分析

表面粗糙度是指加工表面上所具有的较小间距和微小峰谷不平度微观集合形状的尺寸特性。表面粗糙度对污垢的附着有一定的影响，对于钛及钛合金材质的换热器，表面的光洁对传热效率有一定的影响。

两种板材的粗糙度评级如表5所示 ，从表中可以看出，住友和华生板材粗糙度等级均为9。表6为两种板材的粗糙度值。图9为两种板材线扫粗糙度测试结果图。图10为两种板材3D面扫表面形貌图。从表7中可以看出，在表面形貌上相差不大（Sa、Sq），但在表面高度分布上有少许差异（Ssk）。从图10中可以清晰的看出华生生产的板材的轧制方向，而住友的板材看不出明显的轧制方向。华生以及住友的板材存在的尖峰的高度以及起伏的程度基本相似，华生的尖峰略大。

表5 两种板材正反面的粗糙度评级

表6 两种板材的粗糙度值

注：Sa：表面形貌的算数平均偏差；

Sq：表面形貌的均方根差；

Sy：表面形貌的最大高度；

Sz：表面十点高度，5个最高点高度的值和5个最深凹坑的平均值；

Ssk：表面高度分布的偏斜度，表面偏差相对于基准表面的对称性的量度（0，表面高度对称分布；>0，表面分布在基准面之上有大尖峰；<0，表面分布低于基准面之下有大尖峰）；

Sku：表面高度分布的峭度，描述形貌高度分布的形状，是形貌高度分布的峰度和峭度的度量(高斯表面为3，形貌高度分布集中在中心的表面>3；分散的高度分布表面<3)。

（a）华生（正面）

（d）住友（反面）

图9 两种板材线扫粗糙度测试结果

（a）华生（正面）

（b）华生（反面）

（c）住友（正面）

（d）住友（反面）

2.4 各向异性指标测试

2.4.1 试样尺寸

各向异性测试中试样尺寸与单向拉伸试样尺寸相同，见图1所示。试件的取向分别与板料的轧制方向成0º、22.5º、45º、67.5º、90º，每种方向各取2件，取样分布位置如图11所示。

图11 各向异性测试取样分布位置

2.4.2 试验过程

试验过程同2.2.2，注意本试验同时采用横向引伸计与轴向引伸计，如图12所示，夹头移动速度设定为2mm/min，应变达到30%以后摘下横向引伸计与轴向引伸计。

图12 轴向引伸计与横向引伸计示意图

2.4.3 试验结果与分析

(1)试验分析软件计算结果

各向异性测试试验结束后，分析软件会根据预先设定好的程序自动计算出屈服强度、抗拉强度、断后延伸率、各向异性r值、硬化指数n值，将各试验样件结果总结整理如下表7，8所示。

表7住友板材的试验结果

上述试验结果中的n值随着与轧向角度的变化如图13所示。从图中可以看出，随着与轧制方向的角度的增加，n值在不断下降，在67.5°时出现n值最小值，说明板材与轧制方向呈67.5°时，应变硬化指数n最小，此时板材的均匀变形能力较弱，加工性能较差。

从不同角度的屈服强度、抗拉强度、延伸率、n值以及r值来看，两种板材都存在着明显的各向异性。住友板材在轧制方向的抗拉强度、延伸率以及n值较高，华生板材有着类似的规律，此结果与文献[5]中纯钛的力学性质类似，各向异性特征相同。

本试验中r值的测试出现负值，由于板材很薄，使得其在拉伸过程中沿着厚度方向变形困难，从而使得厚度方向的变形较小，长度方向与宽度方向的应变值极为近似，从而使得测试的r值出现负值甚至很大，产生了一定的误差。除此之外，r值的测量和横向引伸计与纵向引伸计的测量精度有关，由于板材较薄，横向引伸计夹持困难，在拉伸过程中，容易出现引伸计的跳动和不稳，导致测量结果出现误差。

不同应变值的r值不同，是由于r值的计算是要求在均匀塑形变形阶段即屈服强度和抗拉强度之间的区域，而应变为15%，20%时，有的试样已经开始进入了缩颈阶段，或者达到了抗拉强度，接近缩颈阶段，此时的应变值不能作为r值计算的依据可能出现一定的误差。

(2)厚向异性系数r值

根据国标GB/T5027-2007《金属材料 薄板和薄带 塑性应变比(r值)的测定》，规定厚向异性系数r，即塑性应变比，是板料各向异性测试试验中试样的宽度应变与厚向应变的比值。由于经轧制的厚板在其横向与纵向上的力学性能不同，所以两方向的r值也不同。为了统一试验方法，便于应用，使用平面内各方向的厚向异性系数的平均值作为其冲压性能的指标，规定塑性应变加权平均值

塑性应变比各向异性度

∆r表示了r值的各向异性情况，∆r越大表明不同角度r值的差异较大，存在着较为明显的各向异性，从表9中可以看出，住友板材的∆r值小于华生板材，华生板材的各向异性较为明显。2.5 尺寸精度及稳定性测试

2.5.1 测试方法

实验采用数显式千分尺，分别沿着轧制方向和宽度方向等距离测量10个点，测量板材的厚度，测量位置如图15所示。表10为不同批次两种板材沿着轧制方向和宽度方向的厚度尺寸的测量结果。将测量所得数据在EXCEL办公软件中，通过STDEV函数求得每个批次板材轧制方向和宽度方向厚度的标准差。标准差反映了板材厚度尺寸的变化趋势，标准差较大时说明尺寸变化较大，稳定性较差，标准差较小时说明尺寸变化不大，稳定性较好。表11为计算得到的标准差结果。

表10 不同批次两种板材轧制方向和宽度方向厚度测量结果

从表11中可以看出，不同批次之间板材尺寸的标准差相近。轧制方向，三批住友的标准差均在0.0025-0.0035之间，照比华生板材批次与批次之间的浮动较小；三批华生板材的平均值要小于住友，各有优势。宽度方向，华生的板材比住友的标准差较大，尺寸的稳定性略差。从总体上来看轧制方向的尺寸标准差小于宽度方向尺寸标准差，说明沿着轧制方向尺寸稳定性较好。

与住友生产的板材相差不大；

2. 华生生产的板材与日本住友生产的板材相比，表面粗糙度等级都为9级，在表面形貌上相差不大（ Sa、Sq），在表面高度分布上有少许差异（Ssk），华生以及日本住友的板材存在的尖峰的高度以及起伏的程度基本相似，华生的尖峰略大，稳定性相对较好；

3. 从各向异性程度来看，华生和日本住友生产板材都存在着各向异性，轧制方向的屈服强度和抗拉强度，r值，n值较大。从∆r值来看，华生生产板材比住友生产板材各向异性程度大；

4. 从尺寸精度及稳定性来看，华生生产的板材与住友生产的板材相比，厚度尺寸标准差相差不多，稳定性略差；轧制方向和宽度方向相比，轧制方向的尺寸标准差较小，稳定性较好。

从上面的对比分析可以看出国产钛带材已基本达到进口的质量水平，最大的差距在各向异性上上，这也是本项目研究的最主要出发点。

3钛带材各向异性变形行为表征及晶体塑性模型建立

3.1工业纯钛TA1带材室温变形行为的实验研究

钛及钛合金由于具有比强度高、热稳定性好、耐腐蚀及无磁性等优异性能，被誉为“太空金属”、“海洋金属”，广泛应用于航空航天、化工、石油、冶金及船舶等领域。虽然我国钛资源丰富，海绵钛产量也位居前列，然而对钛材的深加工能力有限，体现在中低端产品生产量大，高端产品生产量小。所以我国目前还只是一个钛工业大国而非强国，急需针对钛及钛合金开展大量的基础研究，以提高对钛材的深加工能力、优化钛工业的产业结构。

由于其较好的耐腐蚀性、生物相容性以及换热性，工业纯钛TA1带材被广泛用于化工、石油、船舶、海水淡化、医疗器械等行业。作为一种典型的密排六方金属材料，工业纯钛TA1板材在室温塑性变形时一般都有孪生现象，其各向异性变形行为对带材成形过程以及回弹有着显著影响。本文对TA1板材的室温变形行为开展了系统研究，包括平面内拉伸以及两阶段拉伸实验。此外，还开展了TA1板材三点弯曲与回弹实验以及筒形件拉深实验。这一些列的实验研究对于TA1板材的实际成形工艺的制定有一定的指导意义，而且也为晶体塑性模型的建立提供了基本数据。

3.1.1 实验材料及状态

本文所用的材料为工业纯钛TA1，在室温时为密排六方结构，其名义化学成分如表13所示。

3.1.3 平面内不同方向的单向拉伸实验

为了研究TA1板材的各向异性，开展了平面内不同方向上的单向拉伸实验。单向拉伸时，试样的拉伸轴方向与轧制方向呈不同的角度。共开展了五个不同方向上的单向拉伸，分别是0°、22.5°、45°、67.5°以及90°。单向拉伸试样依据国家标准加工，具体尺寸如图18所示，图中的单位为mm。拉伸时，夹头分离速度保持恒定，为3mm/min。为了保证数据的准确与可重复性，每个方向都进行三次测试，试样照片如图19所示。

单向拉伸时，为了测得厚度各向异性值（试样宽度应变速率与厚度应变速率的比值，也称为R值），除了长度方向上的引伸计，宽度方向上也夹持了引伸计，如图20所示。

拉伸时发现每个方向所测得的三条应力-应变曲线重复性好，所以在每个方向上任取了一条代表该方向上的应力-应变曲线。不同方向的应力应变曲线如图21所示，从中可以发现明显各向异性，而且，各向异性也随着变形的进行在不断的演化。为了更清楚的显示TA1板材在拉伸时的各向异性以及各向异性的演化，选取了几个不同应变时不同方向的流变应力列在表14中，同时在表15中也列出了不同应变不同加载方向时的R值。

3.1.4 两阶段拉伸试验

为了研究TA1板材在更一般的应变路径下的变形行为，开展了两阶段拉伸实验。两阶段拉伸实验的第一阶段拉伸沿着横向进行，为预变形阶段。采用的是大试样，试样的尺寸如图22所示。第二阶段的拉伸沿着轧制方向或者与轧制方向呈45°进行，试样为小试样，是从第一阶段变形完后的试样上截取的，如图22所示。

第一阶段的拉伸，即预变形阶段，有两个不同的应变量。不同预变形量后第二阶段拉伸时的应力应变曲线如图23所示。图中“R0”是指第二阶段的拉伸是沿轧制方向，“R45”是指第二阶段的拉伸方向与轧制方向呈45°。图中“Monotonic loading”是指没有预变形的加载情况，比如“R0- Monotonic loading”就是指沿轧制方向且没有预变形的加载路径。而“R45- Monotonic loading”就是指沿与轧制方向呈45°且没有预变形的加载路径。图中，有预变形的情况时，其曲线都做了相应的偏移。从图23中可以发现，无论是沿轧制方向还是沿与轧制方向呈45°的应力应变曲线都一个共同的特征，即在初始屈服后的小范围内，有预变形的应力值都要比无预变形的应力值高，这就是典型的交硬化现象。

图24 横向预拉伸变形后的硬化率 (a) 预变形量为0.027，轧向应力应变曲线的硬化率 (b) 预变形量为0.055，轧向应力应变曲线的硬化率 (c) 预变形量为0.027，横向应力应变曲线的硬化率 (d)预变形量为0.027，轧向应力应变曲线的硬化率

3.2 TA1带材变形的晶体塑性模型建立

3.2.1 VPSC晶体塑性模型简介

晶体塑性模型（Crystal plasticity）就是一种基于位错滑移、孪生的介观尺度模型，关于晶体塑性模型，Roters等[7]做了一个比较全面的综述。对于晶体塑性本构模型，材料被看作是许多晶粒组成的一个集合体，晶粒的取向随机分布或者呈一定规律分布，每个晶粒的塑性变形是由滑移或者孪生产生的。Taylor[8]假定晶粒与晶粒的变形都是均匀相同的，都等于宏观的变形，然后根据Schmid 定律以及能量最小化计算出能够激活的滑移系，称为全约束模型。但是，正如文献[9]报道全约束模型会导致较高的晶间应力，过高的晶间应力会导致临界剪切应力很高的滑移系开动，导致最终的织构与真实的织构有差距。为了更接近真实情况，在Taylor 型的晶体塑性模型的基础上发展了许多改进型模型[10-12]，让晶粒与晶粒间的应变张量不全相等，即其中一些分量并没有被全部约束，而改为考虑晶粒与晶粒间的应力协调。由于同时兼顾了应变协调与应力协调，这些弱化约束模型用于大变形时要优于全约束模型。单晶本构方程还被植入到有限元中，作为用户材料子程序，称作多晶塑性有限元方法（Crystal plasticity finite element method, CPFEM）。Rabbe等[13,14]应用多晶塑性有限元方法研究了钢及铝合金在变形过程中的织构演化，取得了很好的预测效果。

还有一类基于位错滑移与孪生的介观模型叫自适应模型[15]。在自适应模型中，晶粒被看着是嵌入到一种均匀等效介质中的质点。这种等效介质，是将整个晶粒集合体平均等效处理后的介质。原来晶粒间的相互作用，等效为质点与等效介质的相互作用。自适应表示的是外界所施加的应力应变与晶粒集合体的平均应力应变关系一致。粘塑性自适应模型（Visco-plasticity self-consistant, VPSC）[16, 17]作为自适应模型中的一种，将可能开动的滑移系与孪生系及其对应的临界开动应力、初始织构信息作为输入条件，以增量的形式求解织构的演化、应力应变等。Lebensohn等[18, 19]利用VPSC 模拟钛合金及镁合金织构演化和各向异性时，获得了一系列与实验结果符合良好的计算结果。而且，对于难以开展实验得到实验数据时，VPSC甚至被作为一种虚拟的实验手段[20]，计算得到近似值，比如板材厚度方向的拉伸屈服应力、平面内的两向压缩屈服应力等。VPSC 模型也被植入到有限元程序中[21]，用以开展边界条件比较复杂的模拟计算。

由于晶体塑性模型以及粘塑性自适应模型（VPSC）等都是基于材料物理变形机理的模型，它们也被称作为基于物理机制的模型。这类模型的特点是模型本身以及模型计算的结果与材料的微观结果有着比较明确联系，比如织构与各向异性的关系[22]、晶粒尺寸对强度的影响[23]以及晶粒间的相互作用对变形后残余应力的影响[24]等。

在VPSC模型中，多晶体用加权的取向分数来表示。其中，取向代表晶粒，而加权分数表示某个取向所占的体积分数。每个晶粒都被看着是镶嵌在一种等效介质（HEM）中的椭球状“杂质”，而不管“杂质”还是等效介质都是各向异性的。等效介质是一种对晶粒周围所有环境等效处理。变形时，位错与孪晶都遵守Schmid定律，即当位错或孪晶所受到的分切应力达到一个临界应力时，位错或孪晶就开动。关于粘塑性自适应模型的基本方程，最先是由Molinari等人提出的，后来由Lebensohn等拓展到了各向异性。下面将简要介绍下由Lebensohn发展的粘塑性自适应模型的基本方程。

对于局部的粘塑性（在一个晶粒内部）本构关系可以描述为一个率相关表达式

从计算结果可以看出，整个变形过程中都是柱面滑移做主导，但柱面滑移对织构基本没有影响。在变形量较小时，除柱面滑移外主要是孪生及基面滑移起作用，因此形成稳定的轧制织构，即峰值向TD偏转一定角度。随着变形量增加到50%-70%范围内时，孪生消失，主要是a基面滑移起作用，使C轴转向ND方向，形成了较为分散的织构形式，随变形量继续增加到80%以上时，由于锥面滑移的大量启动，又使得织构转变回典型的冷轧织构。

4.2 实现织构控制的工艺设计

从前面的研究可以看出，通过控制道次冷轧变形量可以控制变形机制的启动，从而改变带材的最终轧制织构。对所研究的TA1带材而言，选择50%-70%的道次变形量可以使得典型的冷轧织构变为较为分散的织构类型，有利于降低带材的各向异性指标。

5钛合金及纯钛带材轧制回弹的对比分析

5.1 TA2纯钛和TC4钛合金冷轧变形有限元模型建立

5.1.1 材料参数

采用的材料参数如表17所示。

5.3 变形量对TC4轧制变形回弹的影响规律

TC4钛合金不同变形量下的轧制计算结果如图33所示。

从图中可以看出回弹随轧制变形量的增加而增加，30%变形量时为13%，40%变形量时为16%，50%变形量时为21%。

从回弹结果可以看出，钛合金在冷轧时应控制较低的道次轧制变形量以减小回弹。

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