“越热越韧”还是“越热越脆”？α-钛的塑性谜题被破解

搁浅

“越热越韧”还是“越热越脆”？α-钛的塑性谜题被破解（DOI: 10.1016/j.actamat.2018.02.022）
在金属成形领域，温度通常是**剑：升温降低流变应力，却也常常削弱加工硬化能力，使材料提前颈缩。然而，单相α-钛（纯钛）却表现出“反常剧本”——室温下它已很韧，300℃时单轴拉伸延伸率反而再提高15%；可同样升温，双轴胀形高度却骤降三分之一。英国曼彻斯特大学Orozco-Caballero等人通过系统的实验-表征-晶体塑性模拟，首次把这一矛盾行为归因于“滑移各向异性随温度升高而增强”。成果发表于《Acta Materialia》，为密排六方（HCP）金属的温成形与回弹预测提供了新思路。

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一、反常现象回顾：温度与路径的“对立”

早期文献曾把“单轴更韧”归于应变速率敏感性提高，把“双轴更脆”归咎于孪生减少、表面粗糙度增加。但新工作发现：

• 应变速率敏感性m仅由0.03→0.04，变化微弱；
• EBSD显示孪晶体积分数<2.5%，且300℃下更少；
• 表面粗糙度确实随温度升高，但孪生并非主因。
  

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二、关键发现：滑移各向异性“升温放大”
作者通过数字图像相关（DIC）测得R值（宽向应变/厚向应变）：

• 室温：R≈3.2（RD）/3.6（TD）
• 300℃：R≈3.7（RD）/3.6（TD）
  

R值升高意味着厚度方向更难减薄——这正是各向异性增强的标志。进一步利用晶体塑性有限元（CPFEM），在保持织构不变的前提下，仅调整不同滑移系的临界分切应力（CRSS），发现：

当CRSS(<c+a>)/CRSS(<a>

• 单轴硬化率“尾部抬高”→均匀延伸增加；
• 双轴表面粗糙度Ra由1.5 μm增至2.6 μm→局部化提前。
  

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三、物理根源：热激活“软化”不均衡
HCP金属的可滑移系少，<a>

• 单轴拉伸：硬取向晶粒“假装”第二相，产生几何必需位错（GND）背应力，额外加工硬化延迟颈缩。
• 双轴胀形：面内双向受拉，硬晶粒无法被旁路，应变局部化与三轴应力提前出现，裂纹迅速萌生。
  

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四、工程启示：让“各向异性”为我所用

• 温成形窗口：若零件以延伸为主（如筒形件），可利用250–300℃的高均匀延伸；若涉及深拉或胀形，宜避开300℃“低谷”，直接升温至≥500℃进入再结晶区，借助动态软化恢复成形性。
• 织构设计：通过冷轧+再结晶弱化{0001}∥ND组分，降低R值，可同步提升双轴成形极限。
• 回弹预测：背应力型硬化使CP-Ti在卸载阶段出现“非线性回弹”，传统等向硬化模型误差大；引入各向异性/背应力项的晶体塑性模型可将回弹误差从>30%降至<10%。
  

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五、结论
曼彻斯特大学的研究表明：
“滑移各向异性随温度升高而增强”是纯钛单轴更韧、双轴更脆的统一解释。这一机制不依赖孪生，也不受应变速率敏感性主导，而是硬滑移系与软滑移系热软化速率差异的必然结果。对于HCP家族（Mg、Zr、Ti-Al合金等），该思路为温成形工艺、损伤模型与回弹控制提供了普适性的理论框架——与其一味追求“弱各向异性”，不如精准设计“可控各向异性”，让金属在特定路径下“越热越韧”，而非“越热越脆”。