多晶纯钛室温下不同应变速率塑性变形的孪生形变机制研究

摘要

本论文选用具有典型轧制织构的高纯Ti（99.995％）板材，沿法向（ND）取一批圆柱体样品，压缩轴与 ND方向平行。在室温条件下，采用应变速率范围为10-3s-1～102s-1进行单向轴压缩，利用X射线衍射测试样品织构演变，以及利用电子被散射衍射（EBSD）技术，定量表征形变前后样品的微观组织及其演变规律，尤其对形变过程中产生的孪晶变体进行标定和定量表征。在 EBSD测试中观察到三代孪晶变体，它们分别是：初次孪晶包含{1122}压缩(CT)和{1012}拉伸(ET)孪晶；二次孪晶包含{1012}拉伸和{1122}压缩孪晶；以及三次孪晶包含{1122}孪晶。将孪晶坐标系中的孪生剪切应变旋转至相邻晶粒晶体坐标系内，最终得到的协调应变与传统Schmid定律结合，详细分析初次、二次和三次孪晶变体的选取规则。为研究微观组织与力学性能的关系，本论文采用多项式对流变曲线进行拟合。并利用二次偏导方法，确定产生孪生和动态再结晶（DRX）的临界应力应变值。
　　主要得出以下结论：
　　1.加工硬化速率θ以真实应力σ为函数关系的曲线图，呈现出明显的三个阶段。对流变曲线塑性变形段的平滑处理采用多项式拟合，拟合最佳指数是9，特殊情况可以增加至10。
　　2.流变应力曲线斜率的拐点对应曲线二次偏导相反数的极小值，在该点的微观组织中发现大量孪晶，即证明该点是第一个（孪生）临界应变点。流变曲线二次偏导相反数的第二个极小值被鉴定为第二个临界点，该点对应的应变量所对应微观结构分析发现细小等轴晶粒，证明该点是第二个（动态再结晶）临界应变点。应变速率为0.01s-1形变条件下的发生孪生的临界应变为-0.24，发生动态再结晶的临界应变为-0.67。
　　3.动态再结晶的形核位置有两处：初始晶粒晶界周围和孪晶界附近形核，晶粒呈等轴状沿初始晶粒晶界周围和孪晶界分布。高密度位错在初始晶界和孪晶界周围聚集，随应变量增加，这些位错发生缠结。当应变继续增加，位错开始发生重新排列和交滑移，形成无位错的胞状亚晶界，晶界发生迁移和旋转，将亚晶界转换成大角度晶界，即形成再结晶晶粒晶界。
　　4.孪生和动态再结晶的产生都使得晶体发生旋转，孪生部分的晶体形成的织构主要沿TD方向分布；孪晶内产生的再结晶晶粒取向与孪生织构相近，初始晶粒附近的再结晶晶粒呈随机分布，两种再结晶晶粒的取向都对基体织构都起到了分散和弱化强度的作用。
　　5.实验中检测到三代孪晶系，它们分别为：初次孪晶包含CT和ET、二次孪晶ET和CT和三次孪晶CT，并通过极射投影方法对所有可能的孪晶变体进行精确表征。在计算孪晶变体的Schmid factor(SF)值时发现部分具有低SF孪晶在形变过程中产生。
　　6.二次孪晶按照角轴对定义可分为A、B、C三类：A-41.3°<1543>,B-48.4°<5503>以及C-87.9°<4730>，其中B类型的变体在实验中出现的频率最多，而A、C两类的百分比相当，低于B类。
　　7.初次孪生选取条件：孪晶在相邻晶粒内要求产生exy和eyx滑移（CRSS最低的柱面滑移）时，低SF孪晶能在形变过程中形核，因为该条件下做功最小。相反的，exz、eyz和ezx、ezy张量分别对应CRSS较高的基面滑移（前一对）和锥面滑移（后一对），开启的难度大，即使拥有高SF的孪晶若要求启动基面或锥面滑移也会被抑制产生。
　　8.二次孪生选取条件：高SF孪晶变体在相邻晶粒内要求产生CRSS最高的锥面滑移或孪生时，将在形变过程中被抑制。低SF孪晶仅有在相邻晶粒内产生柱面或基面滑移时，该孪晶能在形变过程中形核。
　　9.三次孪生选取条件：所有观察到的三次孪晶SF值都很高，高SF孪晶变体在相邻晶粒内要求产生 CRSS最高的锥面滑移或孪生时，在形变过程中被抑制。在相邻晶粒内要求产生柱面滑移或基面滑移的孪晶在形变过程中得以形核。
　　10.具有高SF值的初次孪晶和二次孪晶在形变过程中比低SF值的孪晶更容易长大，说明孪晶的长大过程遵从Schmid规律。
　　11.DRX对应的临界应力随应变速率增加而升高，但是孪生临界应变值几乎对应变速率不敏感，因为孪生的一种非热激活形变机制。相反 DRX是热激活机制，临界应变值随应变速率的降低或温度的升高而减小。位错密度随应变的增加而增加，为再结晶提供驱动力。室温下纯钛单轴压缩的应变速率敏感因子经计算得出m=0.02。
　　12.金属钛和镁各个滑移系的CRSS存在较大差异。钛中最易开启的是柱面滑移 CRSSPr=181MPa，最难开启的是锥面滑移 CRSSPyr=494MPa，CRSSPr/CRSSPyr=1:2.7。相反镁中最易开启的是基面滑移CRSSBas=0.7MPa，最难开启的是柱面滑移 CRSSPr=40MPa，两者之比 CRSSBas/CRSSPr=1:57。最易开启滑移系与最难开启滑移系比值相差约21倍，因此两者的孪晶变体选取也有巨大差异：镁的孪晶选取规则是：孪晶在相邻晶粒内要求基面滑移，得以形核；孪晶在相邻晶粒内要求柱面滑移，形核被抑制。而钛的孪晶选取规则较镁复杂：i）初次孪晶在相邻晶粒内启动柱面滑移，低SF孪晶也能够在基体形核，然而高SF孪晶在相邻晶粒内启动基面或锥面滑移，被抑制；ii）二次和三次孪晶在相邻晶粒内启动柱面或基面滑移，低SF孪晶能够在基体内形核，而在相邻晶粒内开启锥面滑移的高SF孪晶，形核将被抑制。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1. 绪 论

1.1. 钛的研究现状与发展趋势

1.2. 钛的主要形变机制

1.3. 理论孪晶变体

1.4. 应变速率对形变机制的影响

1.5. 其他因素对形变机制的影响

1.6. 动态再结晶（DRX）

1.7. 数学方法确定孪生和动态再结晶临界点

1.8. 论文研究目的和意义

2. 实验材料及方法

2.1实验材料及加工方法

2.2实验设置

2.3微观表征方法

3. 室温下纯钛的压缩力学行为和微观组织结构

3.1单向轴压缩应力应变曲线和加工硬化行为

3.2多项式非线性拟合

3.3二次偏导法求临界应力应变值

3.4多项式指数优化对二次偏导曲线的影响

3.5微观组织分析

3.6织构演变

3.7本章小结

4. 孪晶变体的选取

4.1密排六方坐标系转换为正交坐标系

4.2理论孪晶变体在（0002）极图上的投影

4.3初次孪晶变体的选取规则

4.4二次、三次孪晶变体的选取规则

4.5孪生临界应变

4.6本章小结

5. 应变速率对力学行为和微观组织的影响

5.1不同应变速率形变的加工硬化行为

5.2微观组织分析

5.3应变速率敏感因子

5.4动态塑性变形的研究

5.5本章小结

6. 钛、镁孪生行为比较

6.1压缩形变微观组织比较

6.2临界剪切应力比较

6.3孪晶变体选取的对比

6.4本章总结

7. 结论与创新点

7.1主要结论

7.2本文研究创新点

致谢

参考文献

附录