文丨胖仔研究社
编辑丨胖仔研究社
前言
钛合金具有密度小、比强度和比模量高、良好的生物相容性和生物降解性以及高的高温稳定性等优点，被广泛应用于航空航天、医疗器械、环境保护等领域，具有巨大的应用前景。
然而，由于钛合金晶体结构特征的复杂性，在制备过程中容易出现织构，导致钛合金组织结构和性能显著恶化。因此，如何调控钛合金的变形织构成为当前钛合金研究领域的重要课题之一。
钛合金在加工过程中会产生各种织构，如γ织构、β织构、α-β织构等。γ织构是由于β晶粒中位错滑移而产生的织构，在加工过程中通过变形导致位错滑移，形成粗大的位错强化相。
β织构是由孪晶、位错等亚结构引起的，在加工过程中发生动态回复和再结晶，导致β晶粒内位错密度显著增加。
α-β织构是由于变形时发生动态再结晶而形成的，在加工过程中发生动态再结晶及回复过程。γ和α-β织构可以通过影响晶体塑性变形和晶粒内部动态再结晶等机制改变材料的微观结构和性能。
加工变形过程中材料变形织构与其力学性能之间的关系也一直是研究热点之一。Jiang等[2]研究了γ晶粒与β晶粒变形对合金力学性能的影响。
结果表明，在α晶粒尺寸相同时，随着β晶粒尺寸的增加，合金拉伸强度降低；在α晶粒尺寸相同时，随着γ晶粒尺寸的增加，合金拉伸强度显著降低；当β晶粒尺寸为3~4μm时，合金拉伸强度降低幅度最大；当β晶粒尺寸大于4μm时，合金拉伸强度变化幅度较小。
此外，Yang等[3]研究了不同变形条件下β晶粒和γ晶粒的织构演化规律，结果表明当变形温度为℃和℃时，β晶粒织构占主导地位。
随着变形温度升高和变形量增大时，γ晶粒和β晶粒间形成了大量位错滑移；随着变形量增大和应变速率增加时，γ和β两种晶内取向差逐渐减小。
除了加工过程中的变形织构对材料力学性能的影响外，加工硬化也是材料在塑性变形过程中产生织构的主要原因之一。
专家研究了TC11钛合金在室温下对不同类型孪晶、晶界和表面缺陷的敏感性。结果表明孪晶在室温下对TC11钛合金塑性变形具有明显贡献。
专家研究了TC11钛合金在不同退火温度下的动态恢复与再结晶过程对拉伸性能的影响。结果表明当退火温度高于℃时，动态回复使TC11钛合金拉伸强度降低；而当退火温度低于℃时，动态回复使TC11钛合金拉伸强度略有提高。
近年来研究发现在Ti-6Al-4V钛合金中存在大量取向差很小的α-β织构。结果表明孪晶、晶界和表面缺陷是Ti-6Al-4V合金变形织构形成的主要影响因素。
结果表明孪晶和晶界可以使Ti-6Al-4V合金在室温下获得较高的拉伸强度，而表面缺陷使Ti-6Al-4V合金在室温下获得较低的拉伸强度。
钛合金中变形织构的形成机制
变形织构的形成过程可以分为三个阶段：首先，在变形初期，由于在应力的作用下，晶粒发生转动，导致位错被引向孪晶界。
其次，在塑性变形的过程中，伴随着孪晶的生成，位错被引向孪晶界；最后，当位错被大量的孪晶激活时，位错沿着孪晶运动到晶界上时会形成新的孪晶界。由此可见，在整个过程中都伴随着位错的运动。
在变形初期，由于晶粒转动而产生的位错能够将周围的晶界“钉扎”住；当晶粒发生转动时，由于位错和孪晶之间的相互作用而产生位错滑移现象；当大量的位错被激活后会导致位错滑移进入晶界，从而产生位错滑移。
在变形初期（或塑性变形开始后）时产生的孪晶可以使晶粒在旋转过程中达到转动稳定状态（例如不发生转动），并对周围环境进行稳定控制（例如使周围环境保持在某一温度）。
由于位错能形成位错滑移时能够产生一定的阻力，所以当阻碍作用大于位错滑移时会形成孪晶；当阻碍作用小于位错滑移时则不会形成孪晶。
由于材料本身是各向异性且处于动态变化过程中，所以变形初期产生的孪生对材料织构具有重要影响。
当金属材料发生塑性变形后，由于晶体中各原子排列方式不同、各原子间作用力不同、各原子所受约束条件不同以及晶粒内部晶体缺陷等原因使得晶体中产生大量的自由能。这些自由能与晶体中存在的各种缺陷和缺陷之间的相互作用形成了各种应力。
当变形进行到一定程度时（比如达到一定温度或时间），材料内部产生大量的空位或晶界空位。这些空位和晶界空位会在晶体中形成大量位错孪晶，从而形成新的孪晶带。
因此当晶体受到外力作用时就会在其内部产生位错滑移。这些位错能够通过滑移过程进入晶界或其他位置，从而使材料出现新的孪晶。
当滑移系处于稳定状态时，在这种平衡状态下材料中不会产生任何织构。当变形进行到一定程度时（比如达到一定温度或时间），当外界条件发生改变时，由于产生新的滑移系而使得平衡被打破（比如温度或时间发生变化）。
当滑移系受到外力作用时就会使滑移方向发生改变，从而引起材料内部产生新的孪晶。通过这种方式可以使材料内部出现大量孪晶。
随着塑性变形过程中产生新的孪晶带逐渐增多且不断扩散而形成新的孪晶带时，新形成的孪晶将沿着该孪晶带向上或向下运动并不断与周围已存在的孪晶带相交。
当材料内部产生大量位错滑移后就会在材料中形成大量新的孪晶带。当这些孪晶带在一定温度或时间条件下与周围已存在的孪生带相接触并相互交叉时就会形成新织构。
根据材料变形初期产生孪晶或新形成孪晶后形成新织构的机制，可以将变形初期产生大量新孪晶或新形成孪晶后形成新织构两种情况进行比较。
当晶体内部产生大量位错滑移时，如果外界条件不发生改变且没有产生其他缺陷时，则晶体中将会有大量新形成滑移系；当外界条件发生改变时则会有大量位错滑移进入晶体内部。
当外界条件不发生改变时则会有大量位错滑移进入晶体内部；当外界条件发生改变时则会有大量位错滑移进入晶体内部。
钛合金中变形织构的演化机制
在钛合金的变形过程中，变形织构的演化与其基体组织和晶粒尺寸有关，基体组织和晶粒尺寸越大，变形织构越易发生转变。
在钛合金中，存在三种常见的织构类型：（1）{}织构；（2）{}织构；（3）{}织构。根据钛合金中变形织构的形成机制。
变形过程中可以分为三个阶段：第一阶段是位错滑移与孪晶的形核，第二阶段是位错与孪晶的滑移与变形，第三阶段是位错与孪晶的相变。
位错滑移与孪晶的形核过程主要是在平行于晶面方向和垂直于晶面方向上进行，因此这两种过程是同时进行的。滑移与孪晶之间存在着交互作用。
一方面，由于晶界上存在位错滑移，会导致晶界附近出现大角度晶界；另一方面，晶粒内的孪晶会使得晶粒中产生大量位错，这些位错能够沿着晶界滑动并通过多次反复运动来推动晶界向前移动。位错运动产生的大量位错在运动过程中会对晶界产生摩擦作用。
从而导致孪晶带内产生局部的应力集中，当局部应力超过一定值时就会发生形变诱导晶粒变形。这种形变过程会导致大量位错在晶界附近聚集形成大量的孪晶和其他再结晶产物（如TC4、TC18、TC22等），而这些再结晶产物可以形成典型的{}织构和{}织构。
在变形过程中，不同区域内的变形织构存在着明显的差异。在钛合金的变形过程中，通常将钛合金分为三个区域：（1）α晶粒内部；（2）α晶粒与β晶粒之间；（3）β晶粒内部。不同区域内的变形织构类型和强度差异较大。
在α晶粒内部，变形织构主要表现为{}织构和{}织构；在α晶粒与β晶粒之间，变形织构主要表现为{}和{}织构。
在β晶粒内部，变形织构主要表现为{}、{}和{}等。由于钛合金中变形组织是动态变化的，因此其变形织构也随时间变化而改变。
笔者观点
总结了目前对钛合金变形织构的研究，可以发现不同类型织构的形成原因与作用机制有所不同，这主要与钛合金成分和显微组织有关。
对于合金的初始织构，其主要取决于其原子密度分布，而在后续热处理和加工过程中，由于第二相的析出和再结晶等因素会使其发生再结晶，最终形成新的织构。
对于粗大α相结构的钛合金，在热处理过程中由于位错的滑移而形成位错织构，而在后续加工过程中则会发生回复和再结晶，使位错密度分布发生变化。
对于α+β钛合金，由于β相的析出及晶粒取向的变化等因素会使α相形貌发生改变并影响后续加工过程中织构的形成和演化；对于β+α结构的钛合金，由于在热处理过程中位错密度分布发生变化并最终形成再结晶织构。
对于不同类型织构之间的关系，目前尚缺乏系统研究。变形织构对钛合金塑性变形性能及再结晶行为的影响是当前研究热点之一。
对于纯钛和α+β钛合金而言，其加工硬化率均与晶粒尺寸呈正比关系；但是在塑性加工过程中，α相会发生长大或再结晶，形成新的织构。因此，针对纯钛和α+β钛合金，选择合适的加工工艺以获得均匀和稳定的力学性能是其进一步应用中亟待解决的问题。
对于变形织构与后续加工工艺之间关系的研究已有大量报道，其中包括轧制和热轧两种工艺对钛合金中织构分布和演变的影响。
不同变形温度对TC4、TC17及TC18三种纯钛和α+β钛合金塑性变形后织构分布及演变影响；不同时效温度和时效时间对TC三种钛合金塑性变形后织构分布及演变影响；以及不同形变量对TC三种钛合金塑性变形后织构分布及演变影响。
此外，对于不同类型织构与钛合金塑性变形行为之间关系的研究还有待进一步开展。已有研究表明，在不同形变量下，钛合金中产生不同类型织构是由形变机制控制而不是晶粒尺寸控制的。
因此如何建立多维有限元模型模拟不同形变量下钛合金中产生不同类型织构的演化过程是研究钛合金塑性变形行为的重要方向。
参考文献
王铁平《塑性变形织构的形成机理与影响因素》金属材料学报，年。
郭新军《钛合金热挤压变形织构的演变规律及其作用机制》金属学报，年。
何忠华《钛合金等温轧制中的织构特征及轧制参数对织构的影响》金属学报，年。
张启国《Ti-37合金的织构特征及其对织构强度的影响》金属学报，年。
刘巧沐《锻态TC25G钛合金棒材的显微组织》材料热处理学报，年。
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