張平平，李建康，牛文宇，魏東東，同曉樂

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆 哈密 839100）

冷軋純鈦帶晶體為密排六方結(jié)構(gòu)，其對稱性低，因在冷軋過程中沿著軋制方向單向變形，造成冷軋鈦帶產(chǎn)品各向異性嚴(yán)重[1]。通常冷軋鈦帶沿著軋制方向的屈服強(qiáng)度約為橫向的60%，而沿著橫向比縱向的延伸率低10%左右，同時(shí)其橫向與縱向的加工硬度指數(shù)（n）和塑性應(yīng)變比（r）都也存在較大的差異[2-3]。純鈦帶冷軋的各向異性問題為其加工成形使用帶來了一定影響，如板式換熱器的板片沖壓、保溫杯的深拉和鈦設(shè)備的折彎等，因?yàn)槔滠堚亷Т嬖趪?yán)重的各向異性，而造成冷加工過程中模具貼合度低、精度低，以及加工成形過程中出現(xiàn)裂紋等問題。

目前國內(nèi)對于冷軋鈦帶存在的各向異性理論研究不足，對如何利用冷軋鈦帶的各向異性進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品成形性能報(bào)道較少。因此本文通過對厚度1.0 mm 冷軋純鈦帶各向異性進(jìn)行測試分析，掌握冷軋鈦帶各向異性之間規(guī)律，為冷軋鈦帶成形加工提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)用原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)原料選用1 級海綿鈦，采用真空自耗爐（VAR）2 次熔煉，制備1 020 mm 鈦鑄錠，經(jīng)4 500T 快鍛機(jī)鍛造220 mm 鈦板坯，軋制成品1.0 mm 冷軋鈦帶。成品鈦帶退火工藝：罩式爐退火，退火溫度630±10 ℃，保溫時(shí)間20 h，1.0 mm 冷軋鈦帶工藝流程如圖1 所示。選用1#、2#和3#鑄錠化學(xué)成分見表1。

表1 TA1 鑄錠化學(xué)成分 wt/%

圖1 1.0 mm 冷軋鈦帶工藝流程

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 金相試驗(yàn)

1.0 mm 冷軋鈦帶表面、軋制方向截面和橫向截面3 個(gè)面取樣，經(jīng)鑲樣、磨拋和腐蝕處理，在金相顯微鏡下對試樣進(jìn)行組織分析，按GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，進(jìn)行晶粒度評級。

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》，對1.0 mm 厚度材料采用P1板狀拉伸試樣，沿鈦帶卷軋制方向RD、45°和TD 3個(gè)方向取樣加工成拉伸試樣。按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》測量材料的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2 和斷后延伸率A。

1.2.3 塑性應(yīng)變比r 值

根據(jù)GB/T 5027—2016《金屬材料 薄板和薄帶塑性應(yīng)變比（r 值）的測定》，測試計(jì)算厚度1.0 mm 材料的3 個(gè)方向r 值。塑性應(yīng)變比r 定義為拉伸試樣在標(biāo)距范圍內(nèi)寬度方向上的真實(shí)應(yīng)變εw與厚度方向的真實(shí)應(yīng)變εt之比，即

由于板材在厚度方向上的應(yīng)變不易測量，所以根據(jù)體積不變原理，將式（1）轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

式中：εw和εt分別為寬度和厚度方向上的應(yīng)變：b 和b0分別為拉伸試樣原始的寬度和均勻塑性變形某一階段的寬度：l 和l0分別為拉伸試樣原始的標(biāo)距長度和均勻塑性變形某一階段的長度。

1.2.4 加工硬化指數(shù)n

按GB/T 5028—2008《金屬材料 薄板和薄帶 拉伸應(yīng)變硬化指數(shù)（n 值）的測定》，測試厚度1.0 mm 材料3 個(gè)方向的n 值。應(yīng)變硬化指數(shù)n 是用來表示材料形變硬化的一個(gè)參數(shù)，反映材料抵抗失穩(wěn)變形的能力，影響板料的成型性能。應(yīng)變硬化指數(shù)n 與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系可以用公式表示為

式中：s 為真應(yīng)力；C 為強(qiáng)度系數(shù)；e 為真實(shí)塑性變形；n 為硬化指數(shù)。

將公式用對數(shù)表示如下

則應(yīng)變硬化指數(shù)n 可以用對數(shù)坐標(biāo)內(nèi)的直線斜率來表示，即

2 結(jié)果與分析

2.1 組織分析

1.0 mm 冷軋鈦帶在罩式爐中進(jìn)行再結(jié)晶完全退火，退火溫度630 ℃，保溫20 h，TD、RD 和45°3 個(gè)方向。退火組織如圖2 所示。3 個(gè)方向的金相組織均為完全退火后的再結(jié)晶等軸組織，為材料易變形發(fā)生變形組織，晶粒尺寸均為6.5 級，表明采用退火溫度630 ℃，保溫20 h，冷軋變形組織已發(fā)生完全再結(jié)晶，對材料沖壓成型性能無明顯影響。

圖2 冷軋鈦帶的不同方向金相組織

2.2 力學(xué)性能結(jié)果分析

從表2 可以看出，1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶抗拉強(qiáng)度Rm，在3 個(gè)方向的值變化規(guī)律基本上一致呈下降趨勢，TD 的抗拉強(qiáng)度值大于RD 和45°方向的。在TD、RD 和45°3 個(gè)方向，3 批冷軋鈦帶屈服強(qiáng)度Rp0.2 差別較大，TD 與RD 方向屈服強(qiáng)度值相差90 MPa左右，與45°方向相差45 MPa 左右，其中RD 方向的屈強(qiáng)比約為0.51，而TD 方向的屈強(qiáng)比約為0.77。在TD、RD 和45°3 個(gè)方向，1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶斷后延伸率A%分布規(guī)律與屈服強(qiáng)度一致，其中RD 方向和45°方向較高，而TD 方向較低。對比1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶TD、RD 和45°3 個(gè)方向的拉伸性能變化規(guī)律，冷軋鈦帶因沿軋制方向單向變形，存在著明顯的各向異性。

表2 3 批1.0 mm 冷軋鈦帶力學(xué)性能

2.3 拉伸過程的應(yīng)力-應(yīng)變

1.0 mm 冷軋鈦帶3 個(gè)方向的拉伸過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3 所示，由圖3 可以看出，1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶的3 個(gè)方向的拉伸過程曲線變化規(guī)律基本上一致。在拉伸過程中，RD 方向產(chǎn)生屈服變形后，應(yīng)力σ 緩慢地達(dá)到最大值，而TD 方向隨著屈服變形增大，應(yīng)力值呈直線上升趨勢。其中沿軋制方向的斷后延伸率最高，TD 延伸率最低，45°方向的延伸率與RD 方向接近。從斷裂位置形態(tài)也可以看出，沿RD 方向的斷口縮頸沒有TD 和45°方向明顯，拉伸過程中，RD 方向主要為均勻塑性變形。

圖3 3 批1.0 mm 冷軋鈦帶不同方向拉力應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鈦帶卷的各種異性主要與加工過程中的變形方式和再結(jié)晶退火制度形成的織構(gòu)有關(guān)。純鈦的塑性變形主要通過柱面滑移來協(xié)調(diào)，基面滑移作用次之，棱錐面滑移作用最弱，TA1 鈦卷軋制、退火處理后主要織構(gòu)成分為棱錐型織構(gòu)(01-1-3)<2-1-30>和(11-22)<1-100>再結(jié)晶織構(gòu)，沿RD 或TD 方向變形，可開動的滑移系統(tǒng)分別為易激活的柱面滑移和較難開動的基面滑移和棱錐面滑移，這樣導(dǎo)致板面內(nèi)TD 方向的拉伸強(qiáng)度比RD 方向的屈服強(qiáng)度大，而45°方向抗拉強(qiáng)度最低，從而產(chǎn)生了較大的板面各向異性。

2.4 塑性應(yīng)變比r

冷軋純鈦帶的塑性應(yīng)變比r 見表3，由表3 可以看出，1#、2#和3#1.0 mm 冷軋鈦帶沿TD 方向的塑性應(yīng)變比值最大，r 范圍為2.36~2.39，RD 方向的塑性應(yīng)變比值最小，r 范圍為1.10~1.14。TD 方向和RD 方向的塑性應(yīng)變比差值較大，表明冷軋純鈦帶在TD 方向變形抗力大于RD 方向，造成材料在沖壓成型過程中RD 方向容易出現(xiàn)減薄現(xiàn)象。r 表示加權(quán)塑性應(yīng)變比，具體計(jì)算方法為r=（rRD+2r45°+rTD）/4，r 值越高表示拉伸過程中材料抵抗變薄的能力越大，1#、2#和3#批次1.0 mm冷軋鈦帶平均塑性應(yīng)變比都遠(yuǎn)大于1，說明材料沖壓成形性能良好。Δr 表示塑性應(yīng)變各向異性程度，計(jì)算方法為：Δr=（rRD+rTD）/2-r45°，Δr 值越大說明在沖壓成型過程中容易出現(xiàn)制耳，1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶卷Δr 值為0.09~0.12，表明材料在沖壓成型過程中出現(xiàn)輕微制耳。

表3 冷軋純鈦帶的塑性應(yīng)變比r

2.5 拉伸硬化指數(shù)n

拉伸硬化指數(shù)n 值表征材料拉伸變形時(shí)產(chǎn)生加工硬化，通常金屬材料的n 值在0.1~0.5 之間，n 值越大表示材料抵抗塑性失穩(wěn)變形的能力越強(qiáng)。由表4 可以看出，1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶在TD 方向的n 值最小，范圍值0.074~0.076，RD 方向值最大，范圍值0.162~0.168，表明材料TD 和RD 方向加工硬化能力存在一定差異，在沖壓成型過程，材料的TD 方向更容易出現(xiàn)沖壓裂現(xiàn)象。

表4 冷軋鈦帶3 個(gè)方向的應(yīng)變硬化值n

3 結(jié)論

（1）1.0 mm 冷軋鈦帶在罩式爐中，采用退火溫度630 ℃，保溫20 h 熱處理，TD、RD 和45° 3 個(gè)方向均為完全再結(jié)晶等軸組織，對材料沖壓成形性能無明顯影響。

（2）1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶TD、RD 和45°3 個(gè)方向的拉伸性能和應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律基本一致，因冷軋鈦帶沿軋制方向單向變形，造成材料TD 和RD 方向存在明顯的各向異性。

（3）1#、2#和3#批次1.0 mm 冷軋鈦帶TD、RD 和45° 3 個(gè)方向的塑性應(yīng)變比r 和拉伸硬化指數(shù)n 對比分析，在沖壓成型過程，材料的TD 方向更容易產(chǎn)生沖壓裂現(xiàn)象，TD 和RD 方向均出現(xiàn)輕微制耳。