钛合金板材冷轧工艺对其力学性能的影响

引言

钛合金凭借密度小、比强度高、耐腐蚀性强等优异特性，在航空航天、船舶制造、生物医疗等众多领域得到广泛应用。钛合金板材作为重要的产品形式，其力学性能直接决定了其在不同工程场景下的适用性和可靠性。冷轧工艺是钛合金板材生产的关键环节，在改善板材尺寸精度、表面质量的同时，会引发板材内部组织结构的显著变化，进而对其力学性能产生重要影响。深入研究钛合金板材冷轧工艺与力学性能的关系，对于优化工艺参数、生产高性能钛合金板材具有重要意义。

一、冷轧工艺参数对钛合金板材力学性能的影响

（一）冷轧变形量对力学性能的影响

冷轧变形量常用压下率衡量，即板材轧制前后厚度减少量与原始厚度之比。压下率大小直接影响板材变形程度，改变其内部组织结构与力学性能。

随着压下率增大，钛合金板材晶粒被拉长、破碎，位错密度显著上升。依据位错强化理论，位错相互缠结阻碍运动，材料进一步变形需更大外力，进而使板材强度提升，屈服强度和抗拉强度随之提高。同时，晶粒破碎细化在一定程度上改善了板材塑性，细小晶粒提供更多滑移系，利于位错移动重组。

不过，压下率过大时，板材内部变形不均匀性加剧，易产生裂纹、孔洞等缺陷。这些缺陷成为应力集中点，会降低板材塑性，甚至导致后续加工或使用中断裂。实验显示，对于常见 TC4 钛合金板材，压下率从 10% 增至 30% 时，屈服强度从约 800MPa 升至 1000MPa 左右，抗拉强度从约900MPa 升至 1100MPa 左右，伸长率在 15%-20% 波动；但压下率超 30% 后，板材表面现微裂纹，伸长率迅速降至 10% 以下。

（二）轧制温度对力学性能的影响

虽然冷轧通常在相对较低的温度下进行，但轧制温度仍对钛合金板材的力学性能有着重要影响。轧制温度主要通过影响材料的变形抗力和再结晶行为来改变力学性能。

在较低的轧制温度下，钛合金原子的活动能力较弱，位错运动困难，材料的变形抗力较大。此时，板材在轧制过程中需要更大的外力才能发生变形，导致板材内部产生较高的残余应力。同时，低温下变形不利于晶粒的滑移和转动，容易形成变形织构，使板材的各向异性增强。不过，低温轧制可以抑制动态再结晶的发生，使板材保持较高的位错密度和细小的晶粒结构，从而提高板材的强度和硬度。

随着轧制温度的升高，钛合金原子的活动能力增强，位错运动变得容易，材料的变形抗力降低。这使得板材在轧制过程中更容易发生变形，残余应力减小。同时，较高的温度为动态再结晶提供了足够的能量，促进了新晶粒的形成和长大。动态再结晶可以消除板材内部的加工硬化，改善板材的塑性。但如果轧制温度过高，再结晶晶粒会过度长大，导致板材的强度下降。例如，对于 TC4 钛合金板材，在轧制速度相同的情况下，当轧制温度从 200^∘C 升高到 350℃时，屈服强度从约 900MPa 降低到 800MPa 左右，抗拉强度从约 1000MPa 降低到 900MPa 左右，而伸长率从 12% 提高到 18% 左右。

（三）轧制速度对力学性能的影响

轧制速度对钛合金板材力学性能的影响较为复杂，它主要通过影响板材的变形热和变形时间来发挥作用。

高速轧制时，板材在轧辊间的变形时间缩短，变形热来不及充分散发，会使板材的温度升高。这类似于提高轧制温度的效果，一方面降低了材料的变形抗力，使板材更容易变形；另一方面促进了动态再结晶的发生，有利于改善板材的塑性。然而，过高的轧制速度可能导致板材表面质量下降，产生划痕、裂纹等缺陷，从而影响板材的力学性能。

低速轧制时，板材有足够的时间进行变形和散热，变形热对板材温度的影响较小。此时，板材的变形更接近于等温变形，变形过程相对稳定。但低速轧制生产效率较低，且可能导致板材内部的残余应力增加，对板材的力学性能产生不利影响。研究表明，在一定范围内适当提高轧制速度可以提高钛合金板材的强度和塑性。例如，当轧制速度从 0.5m/s 提高到 1.5m/s 时，某种钛合金板材的屈服强度和抗拉强度分别提高了约50MPa 和 60MPa ，伸长率也提高了约 3% 。但当轧制速度超过 2m/s 后，板材表面质量变差，力学性能出现下降趋势。

二、冷轧工艺优化与力学性能提升策略

基于上述对冷轧工艺参数与钛合金板材力学性能关系的分析，为了获得综合性能优异的钛合金板材，需要合理优化冷轧工艺。

对于要求高强度的应用场景，如航空航天结构件，可采用较大的压下率和较低的轧制温度，同时适当控制轧制速度。较大的压下率可以增加位错密度，提高强度；较低的轧制温度能抑制再结晶，保持细小的晶粒结构。例如，将压下率控制在 25%-30% ，轧制温度控制在 200-250^∘C ，轧制速度控制在 1-1.5m/s ，可使板材的屈服强度达到 1000MPa 以上，满足高强度要求。

对于需要良好塑性的应用，如汽车零部件的冲压成型，可适当降低压下率，提高轧制温度和轧制速度。降低压下率可减少变形缺陷，提高轧制温度和速度能促进动态再结晶，改善塑性。如将压下率控制在 15%-20% ，轧制温度控制在 300-350^∘C ，轧制速度控制在 1.5-2m/s ，可使板材在保证一定强度的同时，伸长率达到 20% 以上，满足冲压成型要求。

结束语

综上所述，钛合金板材冷轧工艺对其力学性能影响显著，冷轧变形量、轧制温度与速度等参数，会改变板材内部组织结构，进而影响强度、塑性和韧性等指标。合理控制这些参数，能优化其力学性能，满足不同工程需求。未来研究可深入探究冷轧工艺与板材微观组织结构的定量关系，以及多道次冷轧中工艺参数动态变化对性能的影响。还可结合数值模拟技术，实现对冷轧工艺的精准控制与优化，为生产高性能板材提供有力支持。

参考文献

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