应变速率对室温下90°等通道转角挤压变形工业纯钛拉伸性能的影响

刘晓燕，赵西成，杨西荣，张 凯，解 晨

（西安建筑科技大学冶金工程学院，西安710055）

0 引 言

钛及钛合金以其良好的生物相容性、耐腐蚀性和综合力学性能等被广泛应用于航空航天、汽车、生物医用材料等诸多领域［1－2］。等通道转角挤压（ECAP）是制备高性能块状超细晶材料常用的剧烈塑性变形方法之一［3－4］，采用该技术已经成功制备了超细晶工业纯钛材［5－16］。由于工业纯钛室温塑性变形能力差，早期的ECAP变形大多采用提高温度的方法（通常在300～450℃）来实现［5－12］。赵西成等［13－14］在对工业纯钛室温ECAP变形过程中试样内部应力分布的理论分析和3D有限元模拟的基础上，首次在室温下采用120°模具实现了工业纯钛ECAP的8道次变形，成功制备出了超细晶工业纯钛。近年 来，Zhang等［15］和 Dheda等［16］也 陆 续 在室温下成功实现工业纯钛ECAP的1道次和2道次变形，但其挤压速度较低。作者在前期研究的基础上，通过改变模具参数和工艺条件，已成功实现了在室温下采用90°模具对工业纯钛进行1道次ECAP变形，挤压速度为3.5mm·s－1。

目前，国内外对ECAP变形工业纯钛的拉伸性能进行了较多研究，但是这些研究大多是在固定应变速率的条件下进行的［17－19］，只有极少数是在不同应变速率条件下进行的［20］。赵西成等［17－19］研究了采用120°模具ECAP变形后的工业纯钛，在室温下以固定的拉伸速度变形后的力学性能，结果表明ECAP变形后工业纯钛的屈服强度、抗拉强度大幅提高，并且还保持了较好的断裂伸长率。Jia等［20］研究了ECAP温变形（450℃）超细晶工业纯钛的室温力学性能，结果表明应变速率对ECAP变形工业纯钛的拉伸性能影响较大，尤其是在高应变速率下。变形温度和模具参数对ECAP变形工业纯钛的组织和性能有着重要的影响，因此作者在室温下采用90°模具对工业纯钛进行ECAP变形，之后在不同应变速率下进行单向拉伸试验，研究了应变速率对其拉伸性能的影响，并分析了其拉伸断口形貌。

1 试样制备与试验方法

试验用材料为热轧态工业纯钛（TA2）板材，其化学成分如表1所示。

表1 试验用工业纯钛的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of test commercial pure titanium （mass）%

将试验纯钛板加工成18mm×18mm×70mm的ECAP试样，然后放入两通道夹角为90°，外圆角为20°的等通道转角挤压模具中，在室温下进行1道次ECAP变形，挤压速度为3.5mm·s－1。沿变形试样的横截面和纵截面截取金相试样，用水、氢氟酸、硝酸的体积比为100∶1.5∶3的混合液腐蚀试样，然后采用奥林巴斯GX71型光学显微镜观察其显微组织。在室温下对ECAP变形后的工业纯钛（后简称ECAP工业纯钛）试样进行拉伸试验，拉伸试样为板状，标距部分尺寸为10mm×3mm×2mm。拉伸轴方向与ECAP挤压方向一致。拉伸试验在MTS－810型电子拉伸试验机上进行，拉伸应变速率分别为0.001 7，0.01，0.1s－1，并利用设备自带的数据采集系统记录相应的拉伸试验数据，据此确定ECAP工业纯钛的屈服强度和抗拉强度。通过测量拉伸前后试样的标距长度，计算相应的断裂伸长率。采用XL－30ESEM型场发射扫描电子显微镜观察拉伸试样的断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 ECAP工业纯钛的显微组织

由图1可以看出，ECAP工业纯钛横截面上的晶粒基本保持着等轴状，但晶粒内部发生了剧烈的塑性变形，组织中存在大量孪晶；其纵截面上的晶粒明显被拉长，具有显著的方向性，与ECAP挤出方向呈约27°的夹角，这与文献［21］中ECAP变形1道次后的剪切特征吻合。

图1 室温下经ECAP变形后工业纯钛的显微组织Fig.1 Microstructure of commercial pure titanium after ECAP at room temperature：（a）transverse plane and（b）longitudinal plane

2.2 应变速率对变形后工业纯钛拉伸性能的影响

由图2可以看出，ECAP工业纯钛的抗拉强度和屈服强度随应变速率的变化趋势大致相同，都是随着应变速率的增大而不断升高；伸长率则随应变速率增加而降低。随着应变速率由0.001 7s－1升至0.1s－1时，ECAP工业纯钛的断裂伸长率由17.9%减至14.9%，抗拉强度由780MPa增至926MPa。应变速率在0.001 7～0.01s－1区间内对伸长率的影响不大，仅从17.9%降低至17.6%。对金属材料而言，通常随着应变速率的增加，位错运动速率增加，从而增大了位错滑移的阻力，对材料产生强化作用［22］。一般认为，当应变速率不大时，随着应变速率的提高塑性降低，这可能是由于在变形过程中，加工硬化的速度超过了软化的速度，加工硬化及位错受阻而形成内裂纹［23］。工业纯钛在室温下的晶格类型为密排六方结构，独立的滑移系较少，其塑性变形的主要方式为滑移和孪生。在静态拉伸条件下（应变速率为10－5～10－1s－1），滑移的临界分切应力小于孪生的，因此塑性变形以滑移为主。但滑移的临界分切应力对应变速率较为敏感，它随应变速率的增加而增加。因此，对工业纯钛来说，随着应变速率的增加，滑移的临界分切应力增加，位错滑移需要更大的应力，使得材料的强度增加，塑性降低。

图2 应变速率对ECAP工业纯钛拉伸性能的影响Fig.2 Effect of strain rate on tensile properties of commercial pure titanium after ECAP

2.3 应变速率对加工硬化的影响

加工硬化曲线表示金属材料在一定组织状态和变形条件下，宏观应力随应变变化的规律，它常借助单轴拉伸试验测定。常用工程材料的加工硬化曲线用Ludwik关系来描述：

式中：σ为真应力；ε为真应变；K为强度因子；n为加工硬化指数。

在双对数坐标中，该数学模型为直线，加工硬化指数d（1nσ）／d（lnε）为常数，这意味着它适合描述双对数坐标中为直线的加工硬化曲线。

由单向拉伸试验数据可求出不同应变速率下ECAP工业纯钛的加工硬化曲线在双对数坐标中的形状，如图3所示。所有的拉伸试样均表现出了明显的颈缩，而且在拉伸过程中产生了非常小的加工硬化。应变速率为0.001 7s－1时，ECAP工业纯钛的加工硬化曲线在接近抗拉强度时略呈下挠状，其在线性阶段的加工硬化指数为0.07。而应变速率为0.01s－1和0.1s－1时，加工硬化曲线则近似直线，加工硬化指数分别为0.05和0.04。采用最小二乘法进行线性拟合得到的相关系数高达0.98，因此可以采用该加工硬化模型。另外，随着应变速率的增加，材料的加工硬化指数减小，加工硬化能力降低。大多数金属材料的加工硬化指数分布在0.1～0.5 之 间［24］，粗 晶 工 业 纯 钛 的 加 工 硬 化 指 数 在0.15［25］左右。可见经ECAP变形后，工业纯钛的加工硬化能力显著降低。剧烈塑性变形后材料的应变硬化能力降低是因为材料内部位置的平均自由程降低［26］，或者拉伸变形过程中易发生动态回复［27］而造成的。Ko［28］采用动力学方程描述了与动态回复相关的位错密度变化，他认为在静态拉伸条件下，位错有充足的时间移动到晶界内，导致位错堆积减少，加工硬化能力降低。

图3 双对数坐标中ECAP工业纯钛在不同应变速率下的加工硬化曲线Fig.3 Strain hardening curves of commercial pure titanium after ECAP at different strain rates in double logarithm coordinate

2.4 应变速率对拉伸断口形貌的影响

由图4可见，ECAP工业纯钛的拉伸断口区域存在大量韧窝，表现出了典型的韧性断裂特征；在韧窝底部存在一些小孔洞，这是断裂起始位置，这些孔洞可能是杂质所产生的。

拉伸断口上韧窝的形成主要是位错滑移的结果，反映了ECAP工业纯钛在静态拉伸条件下是以位错滑移为主。另外，随应变速率的增加，断口韧窝明显变浅，变形程度降低，而应变速率较低时，如图4（a）～（b），韧窝内部较粗糙且较深，断面起伏较大，这说明在孔洞连接过程中消耗了相当大的变形能，材料的韧性较好。

3 结 论

（1）应变速率由0.001 7s－1升至0.1s－1时，ECAP工业纯钛的断裂伸长率由17.9%减至14.9%，抗拉强度由780MPa增至926MPa，应变硬化指数由0.07降低到0.04，随应变速率的升高，表现出了较强的应变速率敏感性。

（2）室温下，ECAP工业纯钛以不同应变速率拉伸变形后，断口表现出韧性断裂特征，且韧窝深度随应变速率的增加而变浅。

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