Ti-26Nb-4Zr合金冷轧板材的织构和力学性能

采用X射线衍射和室温拉伸方法研究了冷轧变形和固溶处理对Ti-26Nb-4Zr合金板材的织构和力学性能的影响.研究发现,50%冷轧时形成了{001}〈uvw〉织构,随着冷变形量的增加,逐渐形成了{121}〈11

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工程科学学报，第37卷，第3期：353-358,2015年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.37,No.3:353-358,March 2015 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2015.03.014:http://journals.ustb.edu.cn Ti-26Nb-4Zr合金冷轧板材的织构和力学性能宋晓云四，叶文君，王艳玲，陈芝霖，惠松骁北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京100088 ☒通信作者，E-mail:songxiaoyun82@126.com 摘要采用X射线衍射和室温拉伸方法研究了冷轧变形和固溶处理对T一26Nb一4Z:合金板材的织构和力学性能的影响研究发现，50%冷轧时形成了{00}〈e〉织构，随着冷变形量的增加，逐渐形成了{12}〈111〉和{001}〈110)混合织构， 110)方向由与轧制方向垂直转到与轧制方向平行.800℃固溶处理后，随着变形量的增加，{11}(110)再结晶织构形成并逐渐增强，但110〉方向始终保持与轧制方向平行.由于加工硬化及晶粒细化的作用，导致随着变形量增加，冷轧板材的强度逐渐提高，塑性降低.固溶处理后，由于发生再结晶，使得板材的塑性相比冷轧态明显提高关键词钛铌合金：织构：力学性能：冷轧：固溶处理分类号TG146.23 Texture and mechanical properties of cold-rolled Ti-26Nb-4Zr alloy plates SONG Xiao-yun,YE Wenjun,WANG Yan-ing,CHEN Zhi-lin,HUI Song-xiao State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes,General Research Institute for Nonferrous Metals,Beijing 100088,China Corresponding author,E-mail:songxiaoyun82@126.com ABSTRACT The effects of cold rolling and solution treatment on the texture and mechanical properties of Ti-26Nb-4Zr alloy plates were investigated by X-ray diffraction and tensile testing at room temperature.It is found that a (001)rolling texture appears af- ter 50%cold rolling.With increasing cold rolling reduction,a (121)(111)and (001 (110)mixed texture forms finally.The (110)direction turns from perpendicular to parallel to the rolling direction.After solution treatment at 800C,a (111 (110)recrys- tallization texture forms and its intensity increases with cold rolling reduction,while the (110)keeps parallel to the rolling direction. Due to work-hardening and refined crystal strengthening,the strength of the cold rolled plates increases while the plasticity decreases with the increase of cold rolling reduction.After solution treatment,the plasticity increases markedly because of the occurrence of re- crystallization. KEY WORDS titanium-niobium alloys:texture:mechanical properties:cold rolling:solution treatment 钛合金由于具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀之一.研究表明，T-Nb二元合金中，Nb原子数分数达性能和生物相容性等，作为硬组织替代材料在生物医到26%时，马氏体相变点(Ms)在0℃附近m.添加学领域得到了大量应用，目前应用最广泛的为一 Zr、Ta等合金化元素，可以有效地强化合金并降低弹 6Al4V合金0.为了避免V、AI等生物毒性元素对人性模量-0 体的潜在影响，完全由生物安全元素组成的新型低弹目前，新型低弹模生物医用钛合金的设计理论都性模量钛合金受到广泛关注网，如T-Nb田，T-Mo、是基于材料的第一性原理计算.本课题组基于DVXa Ti-Ta、Ti-Zr系合金.其中，Ti-Nb系合金由于具电子轨道理论设计了Ti-26Nb-4Zr(原子分数，%)低有可恢复应变量大、弹性模量低等优点，成为研究热点弹模生物医用钛合金，其电子浓度为4.26.研究发现，收稿日期：2013-1101 基金项目：科技部国际合作资助项目(2013DFG52920)

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期: 353--358，2015 年 3 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 37，No． 3: 353--358，March 2015 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2015． 03． 014; http: / /journals． ustb． edu． cn Ti--26Nb--4Zr 合金冷轧板材的织构和力学性能宋晓云，叶文君，王艳玲，陈芝霖，惠松骁北京有色金属研究总院有色金属材料制备加工国家重点实验室，北京 100088  通信作者，E-mail: songxiaoyun82@ 126． com 摘要采用 X 射线衍射和室温拉伸方法研究了冷轧变形和固溶处理对 Ti--26Nb--4Zr 合金板材的织构和力学性能的影响．研究发现，50% 冷轧时形成了{ 001} 〈uvw〉织构，随着冷变形量的增加，逐渐形成了{ 121} 〈1 11〉和{ 001} 〈110〉混合织构，〈110〉方向由与轧制方向垂直转到与轧制方向平行． 800 ℃ 固溶处理后，随着变形量的增加，{ 111} 〈1 10〉再结晶织构形成并逐渐增强，但〈110〉方向始终保持与轧制方向平行．由于加工硬化及晶粒细化的作用，导致随着变形量增加，冷轧板材的强度逐渐提高，塑性降低．固溶处理后，由于发生再结晶，使得板材的塑性相比冷轧态明显提高．关键词钛铌合金; 织构; 力学性能; 冷轧; 固溶处理分类号 TG146. 2 + 3 Texture and mechanical properties of cold-rolled Ti--26Nb--4Zr alloy plates SONG Xiao-yun ，YE Wen-jun，WANG Yan-ling，CHEN Zhi-lin，HUI Song-xiao State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes，General Ｒesearch Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100088，China  Corresponding author，E-mail: songxiaoyun82@ 126． com ABSTＲACT The effects of cold rolling and solution treatment on the texture and mechanical properties of Ti--26Nb--4Zr alloy plates were investigated by X-ray diffraction and tensile testing at room temperature． It is found that a { 001} 〈uvw〉rolling texture appears after 50% cold rolling． With increasing cold rolling reduction，a { 121} 〈1 11〉and { 001} 〈110〉mixed texture forms finally． The 〈110〉direction turns from perpendicular to parallel to the rolling direction． After solution treatment at 800 ℃，a { 111} 〈1 10〉recrystallization texture forms and its intensity increases with cold rolling reduction，while the〈110〉keeps parallel to the rolling direction． Due to work-hardening and refined crystal strengthening，the strength of the cold rolled plates increases while the plasticity decreases with the increase of cold rolling reduction． After solution treatment，the plasticity increases markedly because of the occurrence of recrystallization． KEY WOＲDS titanium--niobium alloys; texture; mechanical properties; cold rolling; solution treatment 收稿日期: 2013--11--01 基金项目: 科技部国际合作资助项目( 2013DFG52920) 钛合金由于具有较低的弹性模量、优异的耐腐蚀性能和生物相容性等，作为硬组织替代材料在生物医学领域得到了大量应用，目前应用最广泛的为 Ti-- 6Al--4V 合金［1］．为了避免 V、Al 等生物毒性元素对人体的潜在影响，完全由生物安全元素组成的新型低弹性模量钛合金受到广泛关注［2］，如 Ti--Nb［3］，Ti--Mo［4］、 Ti--Ta［5］、Ti--Zr［6］系合金．其中，Ti--Nb 系合金由于具有可恢复应变量大、弹性模量低等优点，成为研究热点之一．研究表明，Ti--Nb 二元合金中，Nb 原子数分数达到 26% 时，马氏体相变点( Ms) 在 0 ℃ 附近［7］．添加 Zr、Ta 等合金化元素，可以有效地强化合金并降低弹性模量［8 － 10］．目前，新型低弹模生物医用钛合金的设计理论都是基于材料的第一性原理计算．本课题组基于 DV Xα 电子轨道理论设计了 Ti--26Nb--4Zr ( 原子分数，% ) 低弹模生物医用钛合金，其电子浓度为 4. 26．研究发现

·354· 工程科学学报，第37卷，第3期该合金b12mm棒材固溶处理后，弹性模量为51GPa, 表1Ti-26Nh4Zx合金铸锭的化学成分（质量分数）但是强度较低，约为535MPaW.Ti-26Nb-4Zr合金是 Table 1 Chemical composition of the Ti-26Nb-4Zr alloy ingot 一种亚稳定的B钛合金，其力学性能可以通过形变热 % 处理进行调整.金属材料在冷变形过程中会产生变形 Nb Ix 0 Ti 39.13 5.52 0.00650.080 0.0038 余量织构，例如，在Ti-29Nb9TaH0Zr合金中，随着冷变形量的增加，出现y纤维织构、{112}(111〉、{001} 织构分析在Philips APD10X射线衍射仪上进行， 0i0)和{010(O01)织构☒.随着变形织构的类型采用CuK。射线，电压为40kV,电流为20mA,测量步和含量改变，合金的力学性能和弹性模量也可能随之长为4°·min-l,20角范围为30°~80°，测试了B相发生变化国.因此，本文以Ti-26Nb-4Zr合金为基础， (002)、(110)和(211)三个晶面的不全极图，测试方向研究冷轧变形量及后续热处理对合金板材织构和力学均沿着轧制面方向，然后计算取向分布函数(ODF)图. 性能的影响所测织构均为表面织构.室温拉伸试验在岛津AG一 1 实验方法 250KNS电子万能试验机上进行，试样标距长度为50 mm,宽度为l2.5mm,采用50mm引伸计以便测定弹性以纯Ti、纯Zr、Nb50Ti（质量分数，%)中间合金模量.为了结果准确，测试三个试样取平均值为原材料，按照名义成分配比，采用三次真空自耗熔炼 2实验结果与讨论方法制备Ti-26b4Zr(原子数分数，%)合金铸锭. 铸锭为210mm,60kg,化学成分分析结果见表1.采 2.1板材冷轧及固溶处理后的织构演变用淬火金相法测定合金的相变点约为530℃.将T一 Ti-26Nb4Zr合金板材冷轧时发现，真空自耗熔 26Nb-4Zr合金铸锭在1050℃均匀化处理2h后，在炼方法制备的合金具有优异的冷加工性能，12mm厚 1000℃加热开坯锻造，然后经过逐渐降温的中间锻造的板材不经过中间退火可以直接冷轧为O.8mm厚的加工成25mm厚的板坯，再在800℃加热轧制成厚度薄板，冷变形量达到了93%.在变形量为50%、60%、 12mm冷轧坯料.对冷轧坯料进行800℃/0.5h/水冷 70%、80%和93%时取样，测试冷轧态板材的织构分热处理，去除氧化皮，然后分别进行变形量为50%~ 布，分别记为50CR、60CR、70CR、80CR和93CR.图1 93%的冷轧变形，得到厚度为0.8~6mm的冷轧态板给出了92=25°和92=45°的取向分布函数截面图(p1= 材.对冷轧板材进行800℃0.5h/空冷固溶处理，得 0°90°，D=0°-90°).将图中极密度最大值处的欧拉角到固溶态板材. {9,D,,}对应的低指数晶面和晶向指数列于表2 表2Ti-26Nb-4Zx合金冷轧态板材的主要织构组分 Table 2 Main texture components of the cold-rolled Ti-26Nb-4Zr alloy plates 50CR 60CR 70CR 80CR 93CR {00l〈uro〉 {12(432) {121(1i) {1211i1) {12}(111),{000(110> 从图1可以看出：50CR试样中，主要形成了晶，出现了再结晶织构.对于50ST试样，固溶处理后 {001}〈uw〉冷轧织构；变形量达到60%后，{001} 板材的织构明显减弱，织构组分主要为{00110)，密度 uw〉织构消失，主要织构转变为{12}(432)，同时最大值为16.当变形量达到70%后，随着变形量增出现较弱的{12}111〉织构：随着冷变形量进一步增加，{00}110)织构逐渐减弱直至消失，y取向线的加，{12}(432〉织构消失，{12}111〉织构增强：但再结晶织构{11}110〉逐渐增强：冷变形量从70% 是当变形量达到93%后，{121}111)织构减弱，板材增加到93%，{111}〈110〉织构的极密度由11增加中出现强化的{00}110)织构，密度最大值达到31,26.因此，Ti-26Nb-4Zr合金冷轧板材固溶处理形成的从而形成了{121}(111〉和{001}(110)混合织构. 再结晶织构演变特征为，随着冷轧变形量的增加，逐渐对50%~93%冷变形的冷轧板材进行800℃10.5 形成{11}〈110》织构并加强.无论冷变形量如何，固 h/空冷固溶处理，测试固溶态(ST)板材的织构分布，溶处理后形成的织构110〉始终与轧制方向平行分别记为50sT.60ST、70ST、80ST和93ST.图2给出了 B相具有体心立方(BCC)结构，滑移系多，冷变形 P2=0°和P2=45的0DF截面图(0，=0°→90°，D= 能力强.在体心立方金属中，滑移沿着111〉密排方向 0°→90)，得到的主要织构组分如表3所示.对Ti- 进行，主要的滑移面有{110}、{112}和{123}，随着 26Nb-4Zr合金冷轧板材，800℃固溶处理后发生再结变形量增加晶粒取向逐渐向一个或多个取向转动，形

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期该合金 12 mm 棒材固溶处理后，弹性模量为 51 GPa，但是强度较低，约为 535 MPa［11］． Ti--26Nb--4Zr 合金是一种亚稳定的 β 钛合金，其力学性能可以通过形变热处理进行调整．金属材料在冷变形过程中会产生变形织构，例如，在 Ti--29Nb--9Ta--10Zr 合金中，随着冷变形量的增加，出现 γ 纤维织构、{ 112} 〈1 11〉、{ 001 } 〈0 10〉和{ 010} 〈001〉织构［12］．随着变形织构的类型和含量改变，合金的力学性能和弹性模量也可能随之发生变化［13］．因此，本文以 Ti--26Nb--4Zr 合金为基础，研究冷轧变形量及后续热处理对合金板材织构和力学性能的影响． 1 实验方法以纯 Ti、纯 Zr、Nb--50Ti ( 质量分数，% ) 中间合金为原材料，按照名义成分配比，采用三次真空自耗熔炼方法制备 Ti--26Nb--4Zr( 原子数分数，% ) 合金铸锭．铸锭为 210 mm，60 kg，化学成分分析结果见表 1．采用淬火金相法测定合金的相变点约为 530 ℃ ．将 Ti-- 26Nb--4Zr 合金铸锭在 1050 ℃ 均匀化处理 2 h 后，在 1000 ℃加热开坯锻造，然后经过逐渐降温的中间锻造加工成 25 mm 厚的板坯，再在 800 ℃ 加热轧制成厚度 12 mm 冷轧坯料．对冷轧坯料进行 800 ℃ /0. 5 h /水冷热处理，去除氧化皮，然后分别进行变形量为 50% ～ 93% 的冷轧变形，得到厚度为 0. 8 ～ 6 mm 的冷轧态板材．对冷轧板材进行 800 ℃ /0. 5 h /空冷固溶处理，得到固溶态板材．表 1 Ti--26Nb--4Zr 合金铸锭的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the Ti--26Nb--4Zr alloy ingot % Nb Zr C O N Ti 39. 13 5. 52 0. 0065 0. 080 0. 0038 余量织构分析在 Philips APD10 X 射线衍射仪上进行，采用 Cu Kα 射线，电压为 40 kV，电流为 20 mA，测量步长为 4°·min － 1，2θ 角范围为 30° ～ 80°，测试了 β 相 ( 002) 、( 110) 和( 211) 三个晶面的不全极图，测试方向均沿着轧制面方向，然后计算取向分布函数( ODF) 图．所测织构均为表面织构．室温拉伸试验在岛津 AG-- 250KNIS 电子万能试验机上进行，试样标距长度为 50 mm，宽度为 12. 5 mm，采用 50 mm 引伸计以便测定弹性模量．为了结果准确，测试三个试样取平均值． 2 实验结果与讨论 2. 1 板材冷轧及固溶处理后的织构演变 Ti--26Nb--4Zr 合金板材冷轧时发现，真空自耗熔炼方法制备的合金具有优异的冷加工性能，12 mm 厚的板材不经过中间退火可以直接冷轧为 0. 8 mm 厚的薄板，冷变形量达到了 93% ．在变形量为 50% 、60% 、 70% 、80% 和 93% 时取样，测试冷轧态板材的织构分布，分别记为 50CＲ、60CＲ、70CＲ、80CＲ和 93CＲ．图 1 给出了 φ2 = 25°和 φ2 = 45°的取向分布函数截面图( φ1 = 0°→90°，Ф = 0°→90°) ．将图中极密度最大值处的欧拉角 { φ1，Ф，φ2 } 对应的低指数晶面和晶向指数列于表2．表 2 Ti--26Nb--4Zr 合金冷轧态板材的主要织构组分 Table 2 Main texture components of the cold-rolled Ti--26Nb--4Zr alloy plates 50CＲ 60CＲ 70CＲ 80CＲ 93CＲ { 001} 〈uvw〉 { 121} 〈4 32〉 { 121} 〈1 11〉 { 121} 〈1 11〉 { 121} 〈1 11〉，{ 001} 〈110〉从图 1 可以看出: 50CＲ试样中，主要形成了 { 001} 〈uvw〉冷轧织构; 变形量达到 60% 后，{ 001 } 〈uvw〉织构消失，主要织构转变为{ 121} 〈4 32〉，同时出现较弱的{ 121} 〈1 11〉织构; 随着冷变形量进一步增加，{ 121} 〈4 32〉织构消失，{ 121} 〈1 11〉织构增强; 但是当变形量达到 93% 后，{ 121} 〈1 11〉织构减弱，板材中出现强化的{ 001} 〈110〉织构，密度最大值达到 31，从而形成了{ 121} 〈1 11〉和{ 001} 〈110〉混合织构．对 50% ～ 93% 冷变形的冷轧板材进行 800 ℃ /0. 5 h /空冷固溶处理，测试固溶态( ST) 板材的织构分布，分别记为 50ST、60ST、70ST、80ST 和 93ST．图 2 给出了 φ2 = 0°和 φ2 = 45°的 ODF 截面图( φ1 = 0°→90°，Ф = 0°→90°) ，得到的主要织构组分如表 3 所示．对 Ti-- 26Nb--4Zr 合金冷轧板材，800 ℃ 固溶处理后发生再结晶，出现了再结晶织构．对于 50ST 试样，固溶处理后板材的织构明显减弱，织构组分主要为{ 001} 〈110〉，密度最大值为 16．当变形量达到 70% 后，随着变形量增加，{ 001} 〈110〉织构逐渐减弱直至消失，γ 取向线的再结晶织构{ 111} 〈1 10〉逐渐增强; 冷变形量从 70% 增加到 93% ，{ 111} 〈1 10〉织构的极密度由 11 增加 26．因此，Ti--26Nb--4Zr 合金冷轧板材固溶处理形成的再结晶织构演变特征为，随着冷轧变形量的增加，逐渐形成{ 111} 〈1 10〉织构并加强．无论冷变形量如何，固溶处理后形成的织构，〈110〉始终与轧制方向平行． β 相具有体心立方( BCC) 结构，滑移系多，冷变形能力强．在体心立方金属中，滑移沿着〈111〉密排方向进行，主要的滑移面有{ 110} 、{ 112} 和{ 123} ，随着变形量增加晶粒取向逐渐向一个或多个取向转动，形 · 453 ·

宋晓云等：Ti-26Nb一4Z:合金冷轧板材的织构和力学性能 ·357· 表3Ti-26Nb-4Zr合金板材800℃/0.5h/空冷固溶处理后的主要织构组分 Table 3 Main texture components of the Ti-26Nb-4Zr alloy plates after 800 C/0.5 h/AC solution treatment 50ST 60ST 70ST 80ST 93ST 00(110) {00(110) {11}(110),{223(122),{00(110) {110(110),{00B(110〉 11非(110) 成特定的形变织构组分.体心立方金属的轧制织构主 900 抗拉强度。要有{112(110)、{11}(110)、{111}(112)和{001} 32 110》等4-.根据图1，冷变形量为60%时，冷轧板 ■ 一有 800 材主要形成{121}(432)织构，在{121}晶面上432) 24 屈服强度和111〉晶向之间的夹角大约是15°，因此增加冷变形量，晶粒取向进一步转动，使得{121}〈432〉织构转变 700 为{121〈111)织构.随着冷变形量进一步增加，{121} 411)织构减弱，{001110〉织构增强.在变形体心立人延伸率方金属中，{001}(110)是一个重要的织构组分，Ti- 600 50 60 70 80 90 26Nb-4Zr合金冷轧板较强的{001}(110)织构反应出冷乳变形量% 轧制变形时外来切应力和112}面滑移的作用西.板图3冷轧态Ti-26Nb-4Zx合金板材的力学性能与变形量的材中形成{121}〈111)织构时，〈110〉与轧制方向垂关系直，而形成{001}110〉织构后，〈110)与轧制方向平 Fig.3 Relationship between the cold rolling reduction and mechani- 行，因此随着冷轧变形量的增加，Ti-26Nb-4Zx合金晶 cal properties of the cold-rolled Ti-26Nb-4Zr alloy plates 粒的110〉方向由与轧制方向垂直逐渐转到与轧制方固溶处理后的力学性能变化曲线.与冷轧态板材相向平行.这与Ti-35Nb-2Ta-3Zr(质量分数，%)合金比，固溶处理后板材的屈服强度和抗拉强度明显降低，的织构演变结果一致a 塑性显著提高.例如，50CR试样固溶处理后，其抗拉变形金属在热处理过程中会发生回复和再结晶. 强度由冷轧态时的750MPa降低至575MPa,降幅达到冷变形金属的组织中存在大量的晶体缺陷，储存的能量是再结晶的驱动力，冷变形织构直接影响再结晶织 25%,同时延伸率由11%提高至24%.这是由于冷轧板材固溶处理后发生再结晶，合金中大部分内应力在构的取向。根据定向形核理论，再结晶过程形核必须回复再结晶过程中消除，合金的位错等缺陷密度大幅与周围环境有足够大的取向差才会自发生长，亚晶界度下降，因此使得合金强度降低，而延伸率增加.随着位错密度高，其两侧亚晶的位向差较大，加热过程容易作为再结晶核心而长大的.在大变形板材中存在较冷变形量增加，固溶态合金的抗拉强度也是增加的，变强织构，各亚晶的位向相似，再结晶形核靠晶界弓出，形量为93%变形时的抗拉强度增加较明显，达到640 MPa,这也是细晶强化作用的结果使再结晶形核具有择优取向，并逐渐长大形成与原有织构相一致的再结晶织构.即在有冷变形织构存在 650 抗拉强度· 50 时，产生定向形核刀.因此，导致Ti-26Nb-4Zr合金冷 600 轧板材中的{001}(110〉冷轧织构在固溶处理过程中 40 550 逐渐转化成{11}〈110)再结晶织构 500 2.2力学性能屈服强度 450 图3是冷轧态Ti-26Nb4Zr合金板材的室温拉伸 20 400 性能与冷变形量的关系曲线.随着冷变形量的增加，、延伸率 350 冷轧态板材的屈服强度和抗拉强度逐渐增加，延伸率 10 300 逐渐降低.93%冷变形时，抗拉强度达到870MPa,屈 50 60 70 80 90 服强度达到820MPa,这主要是由加工硬化引起的.冷冷轧变形量% 变形导致合金中的位错等缺陷密度增加，随着冷轧变图4T-26Nb4Zx合金板材固溶处理后的力学性能与冷变形量形量的增加，位错密度急剧增加，位错运动阻力增大，的关系 Fig.4 Relationship between the cold rolling reduction and mechani- 促使抗拉强度和屈服强度急剧升高，延伸率降低.同 cal properties of the Ti-26Nb-4Zr alloy plates after solution treatment 时，变形量的增加，使合金组织不断细化，细晶强化作用增强，也使合金的强度提高体心立方金属中，滑移总是沿着111〉密排方向图4是50%~93%冷变形板材800℃/0.5h/空冷进行，由于位错核心的特殊结构，一般不遵守Schmid

宋晓云等: Ti--26Nb--4Zr 合金冷轧板材的织构和力学性能表 3 Ti--26Nb--4Zr 合金板材 800 ℃ /0. 5 h /空冷固溶处理后的主要织构组分 Table 3 Main texture components of the Ti--26Nb--4Zr alloy plates after 800 ℃ /0. 5 h /AC solution treatment 50ST 60ST 70ST 80ST 93ST { 001} 〈110〉 { 001} 〈110〉 { 111} 〈1 10〉，{ 223} 〈 1 22〉，{ 001} 〈110〉 { 111} 〈1 10〉，{ 001} 〈110〉 { 111} 〈1 10〉成特定的形变织构组分．体心立方金属的轧制织构主要有{ 112} 〈110〉、{ 111} 〈110〉、{ 111} 〈112〉和{ 001} 〈110〉等［14 － 15］．根据图 1，冷变形量为 60% 时，冷轧板材主要形成{ 121} 〈4 32〉织构，在{ 121} 晶面上〈4 32〉和〈1 11〉晶向之间的夹角大约是 15°，因此增加冷变形量，晶粒取向进一步转动，使得{ 121} 〈4 32〉织构转变为{ 121} 〈1 11〉织构．随着冷变形量进一步增加，{ 121} 〈111〉织构减弱，{ 001} 〈110〉织构增强．在变形体心立方金属中，{ 001} 〈110〉是一个重要的织构组分，Ti-- 26Nb--4Zr 合金冷轧板较强的{ 001} 〈110〉织构反应出轧制变形时外来切应力和{ 112} 面滑移的作用［15］．板材中形成{ 121} 〈1 11〉织构时，〈110〉与轧制方向垂直，而形成{ 001} 〈110〉织构后，〈110〉与轧制方向平行，因此随着冷轧变形量的增加，Ti--26Nb--4Zr 合金晶粒的〈110〉方向由与轧制方向垂直逐渐转到与轧制方向平行．这与 Ti--35Nb--2Ta--3Zr( 质量分数，% ) 合金的织构演变结果一致［16］．变形金属在热处理过程中会发生回复和再结晶．冷变形金属的组织中存在大量的晶体缺陷，储存的能量是再结晶的驱动力，冷变形织构直接影响再结晶织构的取向．根据定向形核理论，再结晶过程形核必须与周围环境有足够大的取向差才会自发生长，亚晶界位错密度高，其两侧亚晶的位向差较大，加热过程容易作为再结晶核心而长大［15］．在大变形板材中存在较强织构，各亚晶的位向相似，再结晶形核靠晶界弓出，使再结晶形核具有择优取向，并逐渐长大形成与原有织构相一致的再结晶织构．即在有冷变形织构存在时，产生定向形核［17］．因此，导致 Ti--26Nb--4Zr 合金冷轧板材中的{ 001} 〈110〉冷轧织构在固溶处理过程中逐渐转化成{ 111} 〈1 10〉再结晶织构． 2. 2 力学性能图 3 是冷轧态 Ti--26Nb--4Zr 合金板材的室温拉伸性能与冷变形量的关系曲线．随着冷变形量的增加，冷轧态板材的屈服强度和抗拉强度逐渐增加，延伸率逐渐降低． 93% 冷变形时，抗拉强度达到 870 MPa，屈服强度达到 820 MPa，这主要是由加工硬化引起的．冷变形导致合金中的位错等缺陷密度增加，随着冷轧变形量的增加，位错密度急剧增加，位错运动阻力增大，促使抗拉强度和屈服强度急剧升高，延伸率降低．同时，变形量的增加，使合金组织不断细化，细晶强化作用增强，也使合金的强度提高．图 4 是 50% ～ 93% 冷变形板材 800 ℃ /0. 5 h /空冷图 3 冷轧态 Ti--26Nb--4Zr 合金板材的力学性能与变形量的关系 Fig． 3 Ｒelationship between the cold rolling reduction and mechanical properties of the cold-rolled Ti--26Nb--4Zr alloy plates 固溶处理后的力学性能变化曲线．与冷轧态板材相比，固溶处理后板材的屈服强度和抗拉强度明显降低，塑性显著提高．例如，50CＲ试样固溶处理后，其抗拉强度由冷轧态时的 750 MPa 降低至 575 MPa，降幅达到 25% ，同时延伸率由 11% 提高至 24% ．这是由于冷轧板材固溶处理后发生再结晶，合金中大部分内应力在回复再结晶过程中消除，合金的位错等缺陷密度大幅度下降，因此使得合金强度降低，而延伸率增加．随着冷变形量增加，固溶态合金的抗拉强度也是增加的，变形量为 93% 变形时的抗拉强度增加较明显，达到 640 MPa，这也是细晶强化作用的结果．图 4 Ti--26Nb--4Zr 合金板材固溶处理后的力学性能与冷变形量的关系 Fig． 4 Ｒelationship between the cold rolling reduction and mechanical properties of the Ti--26Nb--4Zr alloy plates after solution treatment 体心立方金属中，滑移总是沿着〈111〉密排方向进行，由于位错核心的特殊结构，一般不遵守 Schmid · 753 ·

·358· 工程科学学报，第37卷，第3期定律.从各个方向拉伸时，滑移面{110}、{112}和 tion of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys.Ma- {123}与拉伸方向的夹角都不大，此时可开动的滑移 ter Sci Eng A,2006,438440:18 B]Kim H Y,Ikehara Y,Kim J I,et al.Martensitie transformation, 系很多.Ti26Nb4Zr合金冷轧后固溶处理，随着冷变形量的增加，{11}〈110〉织构形成并增强，此时密排 shape memory effect and superelasticity of Ti-Nb binary alloys. Acta Mater,2006,54(9):2419 方向111)垂直于板面，基于上述分析，{11}110) 4]Oliveira N T C,Aleixo G,Caram R,et al.Development of Ti- 织构形成后，拉伸过程中很容易发生屈服.图4中，随 Mo alloys for biomedical applications:microstructure and electro 着冷轧变形的增加，固溶处理后合金的抗拉强度和屈 chemical characterization.Mater Sci Eng A,2007,452-453:727 服强度的差值逐渐增大，这种现象就是{11}〈110》织 [5] Buenconsejo PJS,Kim H Y,Miyazaki S.Effect of temary allo- 构逐渐形成并加强的结果. ying elements on the shape memory behavior of Ti-Ta alloys.Acta 此外，弹性模量测试结果发现：不同冷变形量的冷 Mater,2009,57(8):2509 轧板材的弹性模量基本不变，约为65~67GPa:固溶处 [6]Li Y,Cui Y,Zhang F,et al.Shape memory behavior in Ti-Zr alloys.Scripta Mater,2011,64 (6):584 理后合金的弹性模量降低，约为60GPa.体心立方金 [7]Ahmed T,Rack H J.Martensitic transformations in Ti-(16-26 属中不同方向的弹性模量的变化趋势为[001]< at.%Nb alloys.J Mater Sci,1996,31:4267 010]<011]~012]7.Ti-26Nb-4Zr合金板材固 [8]Kim H Y,Hashimoto S,Kim J I.Effect of Ta addition on shape 溶处理形成的再结晶退火织构〈110)始终与轧制方 memory behavior of Ti-22Nb alloy.Mater Sci Eng A,2006,417: 向平行，晶粒取向没有发生明显变化，因此拉伸弹性模 120 量基本不变.但是，对于冷轧态板材，随着变形量的增 [9]Hao Y L,Li S J,Sun S Y,et al.Effect of Zr and Sn on Young's modulus and superelasticity of Ti-Nb-based alloys.Mater Sci Eng 加，织构的110)方向由与轧制方向垂直逐渐变为与 A,2006,441(12):112 轧制方向平行，弹性模量应该有所降低，但测试的弹性 [10]Kim JI,Kim H Y,Inamura T,et al.Shape memory characteris- 模量并没有反映出这种变化.这可能是由于拉伸方法 tics of Ti-22Nb-(2-8)Zr (at.%biomedical alloys.Mater Sci 测试的弹性模量并不是材料的本征弹性模量，而且拉 EngA,2005,403(12):334 伸测试时弹性模量的测试精度不高导致的. [11]Wang Y L,Hui S X,Ye W J,et al.Study on microstructure and mechanical properties of Ti-39Nb-6Zr alloy for biomedical 3结论 applications.Hot Work Technol,2009,38(14):36 (1)Ti-26Nb-4Zr合金具有优异的冷轧性能，不 (王艳玲，惠松骁，叶文君，等.新型医用钛合金T一39Nh一 6Zx显微组织和力学性能的研究.材料热处理技术，2009，经过中间退火冷加工变形量可达93%.随着变形量增 38(14):36) 加，冷轧板材的强度逐渐提高，塑性降低.当冷变形量 02] Cojocaru V D,Raducanu D,Gloriant T,et al.Effects of cold- 达到93%时，冷轧态板材的抗拉强度可达870MPa,弹 rollingdeformation on texture evolution and mechanical properties 性模量约为65GPa.固溶处理后，由于发生再结晶，使 of Ti-29Nb-9Ta-10Zr alloy.Mater Sci Eng A,2013,586:1 得板材的强度相比冷轧态明显降低，塑性提高， [13]Matsumoto H,Watanabe S,Hanada S.Microstructures and me- (2)Ti-26Nb一4Zr冷轧态板材，50%冷轧时形成 chanical properties of metastable B TiNbSn alloys cold rolled and heat treated.J Alloys Compd,2007,439(12)146 了{00)〈uc〉织构，增加冷变形量，织构逐渐转变为 [14]You L,Song X P.Effects of rolling and annealing on the texture {12}〈111〉织构并不断增强，93%冷轧时形成了 of Ti-18Nb-4Sn alloy.Acta Metall Sin,2008,44(11)1310 {12}111)和{00110)混合织构.随着冷变形量 (尤力，宋西平.轧制与退火对Ti-18Nb-4S加合金织构的影的增加，晶粒的110〉方向由与轧制方向垂直逐渐转响.金属学报，2008,44(11)：1310) 为与轧制方向平行. 05] Mao W M.Crystallographic Textures and Anisotropies of Metal (3)800℃固溶处理后，板材形成了{11}110〉 Materials.Beijing:Science Press,2002 再结晶织构，并且随着变形量的增加，织构强度逐渐增 (毛卫民.金属材料的品体学织构与各向异性.北京：科学出版社，2002) 加，但110〉方向始终保持与轧制方向平行. [16]Wang L Q,Lu W J,Qin J N,et al.Texture and superelastic be- havior of cold-rolled TiNbTaZr alloy.Mater Sci Eng A,2008, 参考文献 491(12):372 [17]Wang LQ.Characteristics of Cold Deformed and Superelasticity of Ninomi M.Recent research and development in titanium alloys for TiNbZrTa Beta Titanium Alloy [Dissertation].Shanghai:Shang- biomedical applications and healthcare goods.Sci Technol Adu Ma- hai Jiao Tong University,2009 ter,2003,4(5):445 (王立强.TiNbTaZr B形钛合金冷变形特点及超弹性机理研 2]Miyazaki S,Kim H Y,Hosoda H.Development and characteriza- 究[学位论文].上海：上海交通大学，2009)

工程科学学报，第 37 卷，第 3 期定律．从各个方向拉伸时，滑移面{ 110 } 、{ 112 } 和 { 123} 与拉伸方向的夹角都不大，此时可开动的滑移系很多． Ti--26Nb--4Zr 合金冷轧后固溶处理，随着冷变形量的增加，{ 111} 〈1 10〉织构形成并增强，此时密排方向〈111〉垂直于板面，基于上述分析，{ 111} 〈1 10〉织构形成后，拉伸过程中很容易发生屈服．图 4 中，随着冷轧变形的增加，固溶处理后合金的抗拉强度和屈服强度的差值逐渐增大，这种现象就是{ 111} 〈1 10〉织构逐渐形成并加强的结果．此外，弹性模量测试结果发现: 不同冷变形量的冷轧板材的弹性模量基本不变，约为 65 ～ 67 GPa; 固溶处理后合金的弹性模量降低，约为 60 GPa．体心立方金属中不同方向的弹性模量的变化趋势为［001］＜［110］＜［111］～［112］［17］． Ti--26Nb--4Zr 合金板材固溶处理形成的再结晶退火织构，〈110〉始终与轧制方向平行，晶粒取向没有发生明显变化，因此拉伸弹性模量基本不变．但是，对于冷轧态板材，随着变形量的增加，织构的〈110〉方向由与轧制方向垂直逐渐变为与轧制方向平行，弹性模量应该有所降低，但测试的弹性模量并没有反映出这种变化．这可能是由于拉伸方法测试的弹性模量并不是材料的本征弹性模量，而且拉伸测试时弹性模量的测试精度不高导致的． 3 结论 ( 1) Ti--26Nb--4Zr 合金具有优异的冷轧性能，不经过中间退火冷加工变形量可达 93% ．随着变形量增加，冷轧板材的强度逐渐提高，塑性降低．当冷变形量达到 93% 时，冷轧态板材的抗拉强度可达 870 MPa，弹性模量约为 65 GPa．固溶处理后，由于发生再结晶，使得板材的强度相比冷轧态明显降低，塑性提高． ( 2) Ti--26Nb--4Zr 冷轧态板材，50% 冷轧时形成了{ 001} 〈uvw〉织构，增加冷变形量，织构逐渐转变为 { 121} 〈1 11〉织构并不断增强，93% 冷轧时形成了 { 121} 〈1 11〉和{ 001} 〈110〉混合织构．随着冷变形量的增加，晶粒的〈110〉方向由与轧制方向垂直逐渐转为与轧制方向平行． ( 3) 800 ℃固溶处理后，板材形成了{ 111} 〈1 10〉再结晶织构，并且随着变形量的增加，织构强度逐渐增加，但〈110〉方向始终保持与轧制方向平行．参考文献［1］ Niinomi M．Ｒecent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods． Sci Technol Adv Mater，2003，4( 5) : 445 ［2］ Miyazaki S，Kim H Y，Hosoda H． Development and characterization of Ni-free Ti-base shape memory and superelastic alloys． Mater Sci Eng A，2006，438-440: 18 ［3］ Kim H Y，Ikehara Y，Kim J I，et al． Martensitic transformation， shape memory effect and superelasticity of Ti--Nb binary alloys． Acta Mater，2006，54( 9) : 2419 ［4］ Oliveira N T C，Aleixo G，Caram Ｒ，et al． Development of Ti-- Mo alloys for biomedical applications: microstructure and electrochemical characterization． Mater Sci Eng A，2007，452-453: 727 ［5］ Buenconsejo P J S，Kim H Y，Miyazaki S． Effect of ternary alloying elements on the shape memory behavior of Ti--Ta alloys． Acta Mater，2009，57( 8) : 2509 ［6］ Li Y，Cui Y，Zhang F，et al． Shape memory behavior in Ti--Zr alloys． Scripta Mater，2011，64( 6) : 584 ［7］ Ahmed T，Ｒack H J． Martensitic transformations in Ti--( 16--26 at． % ) Nb alloys． J Mater Sci，1996，31: 4267 ［8］ Kim H Y，Hashimoto S，Kim J I． Effect of Ta addition on shape memory behavior of Ti--22Nb alloy． Mater Sci Eng A，2006，417: 120 ［9］ Hao Y L，Li S J，Sun S Y，et al． Effect of Zr and Sn on Young's modulus and superelasticity of Ti--Nb-based alloys． Mater Sci Eng A，2006，441( 1-2) : 112 ［10］ Kim J I，Kim H Y，Inamura T，et al． Shape memory characteristics of Ti--22Nb--( 2--8) Zr ( at． % ) biomedical alloys． Mater Sci Eng A，2005，403( 1-2) : 334 ［11］ Wang Y L，Hui S X，Ye W J，et al． Study on microstructure and mechanical properties of Ti--39Nb--6Zr alloy for biomedical applications． Hot Work Technol，2009，38( 14) : 36 ( 王艳玲，惠松骁，叶文君，等．新型医用钛合金 Ti--39Nb-- 6Zr 显微组织和力学性能的研究．材料热处理技术，2009， 38( 14) : 36) ［12］ Cojocaru V D，Ｒaducanu D，Gloriant T，et al． Effects of coldrollingdeformation on texture evolution and mechanical properties of Ti--29Nb--9Ta--10Zr alloy． Mater Sci Eng A，2013，586: 1 ［13］ Matsumoto H，Watanabe S，Hanada S． Microstructures and mechanical properties of metastable β TiNbSn alloys cold rolled and heat treated． J Alloys Compd，2007，439( 1-2) : 146 ［14］ You L，Song X P． Effects of rolling and annealing on the texture of Ti--18Nb--4Sn alloy． Acta Metall Sin，2008，44( 11) : 1310 ( 尤力，宋西平．轧制与退火对 Ti--18Nb--4Sn 合金织构的影响．金属学报，2008，44( 11) : 1310) ［15］ Mao W M． Crystallographic Textures and Anisotropies of Metal Materials． Beijing: Science Press，2002 ( 毛卫民．金属材料的晶体学织构与各向异性．北京: 科学出版社，2002) ［16］ Wang L Q，Lu W J，Qin J N，et al． Texture and superelastic behavior of cold-rolled TiNbTaZr alloy． Mater Sci Eng A，2008， 491( 1-2) : 372 ［17］ Wang L Q． Characteristics of Cold Deformed and Superelasticity of TiNbZrTa Beta Titanium Alloy［Dissertation］． Shanghai: Shanghai Jiao Tong University，2009 ( 王立强． TiNbTaZr β 形钛合金冷变形特点及超弹性机理研究［学位论文］．上海: 上海交通大学，2009) · 853 ·

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