钛管材料参数变化规律对数控弯曲成形的影响

西北工业大学博士学位论文
规律可显著提高壁厚减薄、截面扁化和回弹角的预测精度，最大可分别提高约23.44%、17.84%和15.58%。

揭示其原因在于，同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律时，沿变形区外脊线产生较大拉应力，在靠近弯曲变形区的前直线段和后直线段部位的内脊线产生大的压应力，弯曲变形区在弯曲变形时产生较大的轴向应力。

这些因素的综合作用导致管材发生大的壁厚减薄、截面扁化和回弹。

获得了不同几何条件和工艺条件下是否考虑收缩应变比和弹性模量变化规律时TA18钛管数控弯曲壁厚减薄和截面扁化的规律，确定了TA18钛管数控弯曲成形的合理参数。

在此基础上，研究了收缩应变比和弹性模量变化规律对TA18钛管数控弯曲回弹角和回弹半径的影响，发现，同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律时对回弹角和回弹半径的变化趋势无显著影响，但所获得的回弹角和回弹半径均大于忽略两参数变化规律时的值。

基于同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律获得的回弹值建立了回弹角和回弹半径预测模型。

进而采用回弹补偿及模具修正法，基于回弹角和回弹半径预测模型建立了TA18钛管弯曲角和弯曲半径控制模型；实验获得了合格的TA18钛管弯管件。

关键词数控弯曲；收缩应变比；弹性模量；织构；本构模型；有限元模拟；回弹特征
Abstract
Abstract
The development in aviation, aerospace, and high-end equipment has been requiring urgently the research and development of numerical control (NC) precision bending technologies of lightweight and high strength titanium alloy tubes. However, the variation law of contractile strain ratio (CSR) and Young's modulus (E)has important effect on the deformation quality of titanium alloy tube bending. Thus, in this study, the variation law of CSR and E and their effects on NC bending tubes are studied systematically and deeply by numerical simulations based on experimental investigations, FE analysis and analytical. A brief introduction of this study and its main achievements are as follows:
Using cyclic loading-unloading tensile tests, the variation E with deformation is obtained. Initially the decrease is sharp, then gradually becomes slower. In the final stage the decrease stabilizes. The physical mechanism of E variation with strain is studied based on dislocation variation under different strain. This study proposes a new method to obtain the variation CSR under wide strain range of TA18 tubes based on the Digital Speckle Correlation Method (DSCM). The appropriate gage length is obtained and the elastic deformation of axial gage and circumferential gage are modified theoretically in this method. The effects of elastic modification, E and Poisson's ratio (ν) on CSR of TA18 tube are studied. The results show that the effects of three factors on variation trend of CSR in the small strain is obvious. The variation law of CSR for TA18 tubes is obtained under wide strain range. Initially the decrease is sharp, then gradually becomes slower. In the final stage the decrease stabilizes. The variation law of CSR can be expressed approximately as a exponential model. The physical mechanism of E and CSR variation with strain are studied based on dislocation variation and texture distribution of αphase andβphase under different strain.
The symmetric matrix P and elastic matrix C ijkl of incorporating the CSR and E variation are obtained based on theoretical calculation,respectively. The constitutive model is established to describe the variation in CSR and E with plastic deformation, and is implemented numerically by the Newton-Raphson iterative method. An open
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interface is provided in ABAQUS to allow users to develop a material subroutine VUMAT which incorporates constitutive model of considering the variation in CSR and E with plastic deformation. Key technology is resolved, such as element, meshing and friction condition. The FE model of NC bending and springback of incorporating the CSR and E variation is established. The result of NC bending experiment shows that the FE model is reliable.
Effect law of variation in CSR and E on the wall thinning, the flattening of cross-section and springback of TA18 tube NC bending deformation is studied. Considering the variation in CSR can help to improve the simulation accuracy of the wall thinning and the flattening of cross-section of the TA18 tubes NC bending, with the greatest improvements of 15.94% and 17.40%, respectively. Considering the variation in E can help to improve the simulation accuracy of the springback of the TA18 tubes NC bending, with the greatest improvements of 10.40%. Incorporating the variation in CSR and E can help to improve the simulation accuracy of the wall thinning, the flattening of cross-section and the springback of the TA18 tubes NC bending, with the greatest improvements of 23.44%, 17.84% and 15.58%, respectively. Effect mechanism of CSR and E on accuracy prediction of the wall thinning, the flattening of cross-section and the springback is studied,respectively. A large tensile stress and large compressive stress occurs along outside crest paths and inside crest paths of tubes deformation area when considering the variation of CSR and E, respectively. Moreover, a large axial stress occurs on the deformation zone. These factors result in a large value in the wall thinning degree, the flattening degree of cross-section and springback angle for TA18 tubes.
Effect law of CSR and E on the wall thinning degree, the flattening degree of cross-section to NC bending deformation of TA18 tube under different geometry conditions and different process conditions are obtained. The reasonable parameter of TA18 tubes NC bending is obtained. The variation characteristics of springback angle and springback radius with bending angle and relative bending radius whether considering the variation of CSR and E are studied. The results show that the effect of incorporating the variation in CSR and E on the springback angle and springback radius is no obvious. However, the large springback angle and springback radius can be obtained. Mechanism of variation characteristics for springback angle and springback radius is also studied. The prediction model of springback angle and
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springback radius is obtained based on the springback value of considering the variation of CSR and E. Moreover, the control model of bending angle and bending radius is obtained based on sufficient bending method, die compensation method and the prediction model of springback angle and springback radius. The qualified bent tubes of TA18 are obtained by experiment.
Key words Numerical control bending; contractile strain ratio; Young's modulus; texture; constitutive model; finite element simulation; springback characteristic
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论文的主要创新与贡献
(1) 基于数字散斑法，提出了的连续、精确测量宽应变范围内管材收缩应变比的新方法；获得了TA18钛管的收缩应变比的变化规律；建立了TA18钛管收缩应变比与塑性应变的描述模型；揭示了TA18钛管收缩应变比、弹性模量变化的微观机制。

(2) 基于Hill’s 48屈服准则，建立了同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律的本构模型，实现了本构模型的数值化求解；建立了同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律的TA18钛管数控弯曲成形及回弹全过程有限元模型；为研究TA18钛管数控弯曲精确成形提供了先进的手段和平台。

(3) 揭示了收缩应变比和弹性模量变化规律对TA18钛管数控弯曲成形和回弹的影响与作用机制；发现，考虑收缩应变比变化规律可提高壁厚减薄和截面扁化的模拟精度，考虑弹性模量变化规律可提高回弹的模拟精度，同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律可显著提高壁厚减薄、截面扁化和回弹的模拟精度，精度最大可分别提高约23.44%、17.84%和15.58%。

(4) 阐明了不同几何条件和工艺条件下TA18钛管收缩应变比和弹性模量变化规律对数控弯曲壁厚减薄和截面扁化的影响规律；揭示了TA18钛管数控弯曲回弹变化特征及其机制；基于同时考虑收缩应变比和弹性模量变化规律时的回弹结果，建立了TA18钛管回弹预测与控制模型。

实现了TA18钛管数控弯曲精确成形。

目录
目录
摘要 (I)
Abstract (III)
论文的主要创新与贡献............................................................................................ V I 第1章绪论.. (1)
1.1 引言 (1)
1.2 管材弯曲成形概述 (2)
1.2.1 管材数控弯曲成形原理及特点 (2)
1.2.2 管材弯曲成形方法 (3)
1.3 相关领域国内外研究现状 (5)
1.3.1 收缩应变比和弹性模量 (5)
1.3.2 管材弯曲有限元建模 (10)
1.3.3 管材弯曲成形 (12)
1.4 TA18钛管精确数控弯曲成形需解决的关键问题 (16)
1.5 本文选题的背景和意义 (17)
1.6 本文主要研究内容与研究思路 (18)
1.6.1 研究内容 (18)
1.6.2 研究思路 (19)
第2章TA18钛管数控弯曲成形研究的基础和方法 (22)
2.1 引言 (22)
2.2 有限元模拟研究基础与方法 (22)
2.2.1 弹塑性有限元法基础 (22)
2.2.2 有限元方程数值求解算法 (26)
2.3 实验研究基础与方法 (30)
2.3.1 实验材料及力学性能测定 (30)
2.3.2 变形的测定 (31)
2.3.3 织构的测定 (32)
2.3.4 摩擦条件及摩擦系数测定 (34)
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2.3.5 管材弯曲设备及模具 (36)
2.3.6 实验数据测量 (38)
2.3.7 航标相关规定 (40)
2.4 本章小结 (41)
第3章TA18钛管材料参数的宏观变化规律与微观机制 (42)
3.1 引言 (42)
3.2 弹性模量的宏观变化规律与微观机制 (42)
3.2.1 宏观变化规律 (42)
3.2.2 微观机制 (44)
3.3 获得收缩应变比的新方法研究 (47)
3.3.1 新方法的提出 (47)
3.3.2 标距的确定 (48)
3.3.3 弹性变形修正 (50)
3.3.4 泊松比的获得 (52)
3.3.5 新方法的验证 (52)
3.4 影响收缩应变比随变形变化的因素分析 (54)
3.4.1 弹性模量的影响 (54)
3.4.2 弹性修正的影响 (54)
3.4.3 泊松比的影响 (55)
3.5 收缩应变比的宏观变化规律与微观机制 (56)
3.5.1 宏观变化规律 (56)
3.5.2 宏观变化规律模型的建立 (57)
3.5.3 微观机制 (62)
3.6 本章小结 (69)
第4章考虑材料参数变化规律的TA18钛管数控弯曲有限元建模 (71)
4.1 引言 (71)
4.2 考虑收缩应变比和弹性模量变化规律的本构模型 (71)
4.2.1 Hill’s 48屈服准则概述 (71)
4.2.2本构模型建立 (74)
4.3本构模型在ABAQUS软件中的数值化 (76)
4.3.1 在VUMAT中的数值化 (76)
4.3.2 在UMAT中的数值化 (78)
4.4本构模型的可靠性验证 (79)
4.4.1 子程序的验证 (79)
目录
4.4.2 本构模型的验证 (82)
4.5 考虑收缩应变比和弹性模量变化规律的钛管数控弯曲模型 (84)
4.5.1 数控弯曲成形过程有限元模型的建立 (85)
4.5.2 卸载回弹过程有限元模型的建立 (90)
4.5.3 稳定性验证 (91)
4.5.4 可靠性验证 (92)
4.6 本章小结 (95)
第5章材料参数变化规律对TA18钛管数控弯曲成形与回弹的影响 (97)
5.1 引言 (97)
5.2 研究条件 (97)
5.3 收缩应变比和弹性模量变化规律对壁厚减薄的影响 (98)
5.3.1影响规律 (98)
5.3.2作用机制 (101)
5.4 收缩应变比和弹性模量变化规律对截面扁化的影响 (105)
5.4.1影响规律 (105)
5.4.2作用机制 (109)
5.5 收缩应变比和弹性模量变化规律对回弹的影响 (111)
5.5.1影响规律 (111)
5.5.2作用机制 (114)
5.6 本章小结 (116)
第6章TA18钛管数控弯曲精确成形研究 (117)
6.1 引言 (117)
6.2 成形规律分析 (117)
6.2.1 不同几何条件下的成形规律 (118)
6.2.2 不同工艺条件下的成形规律 (120)
6.3回弹特征研究 (127)
6.3.1 回弹角变化特征 (127)
6.3.2 回弹半径变化特征 (129)
6.4 回弹预测与控制模型研究 (133)
6.4.1 回弹预测与控制模型建立 (133)
6.4.2 回弹预测与控制模型的应用与验证 (138)
6.5 数控弯曲成形实验 (139)
6.6 本章小结 (140)
结论 (142)
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参考文献 (144)
攻读博士学位期间发表的学术论文与申请的专利等 (155)
致谢 (157)
第1章绪论
第1章绪论
1.1 引言
液压管路系统是商用客机、军机、火箭等空天飞行器的生命线[1,2]，是管路中工作压力最高、可靠性要求最严格的部件。

随着航空航天等高技术的迅速发展，迫切要求发展耐高压、轻量化、精确化和高可靠性的液压管路弯管件，以达到减重、长寿命、机动性能好等目的，并提高飞机等武器装备的整体性能[3,4]。

弯管的耐高压、轻量化性能可通过高强轻质材料来实现。

强度极限达860 MPa 的高强TA18钛合金管(以下简称TA18钛管) 具有密度小、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，可以满足上述应用要求，必将获得越来越广泛的应用。

精确化可通过数控弯曲技术与数值模拟仿真技术结合来实现。

管材数控弯曲成形技术通过采用先进数字化塑性加工手段实现管材坯料的成形成性，实现管材类构件轻量化、强韧化和精确化的要求，已经成为精确塑性成形技术研究与发展的一个重要方向[5-7]。

随着我国大飞机和新一代军机的研制，TA18钛管弯管件作为一种高性能、轻量化的关键构件，将在航空工业中得到广泛的使用。

TA18钛管具有和不锈钢管和铝合金管不同的材料特性，如强度高、塑性差、弹性模量小、厚向异性(通常由收缩应变比来衡量[8-10]) 显著等特点[11-14]，而且其收缩应变比和弹性模量会随塑性变形而变化。

因此，收缩应变比和弹性模量是影响TA18钛管塑性成形质量的重要参数。

然而，目前对于TA18钛管的收缩应变比和弹性模量研究较少，现有研究中常忽略其随变形而变化的特征[15,16]，显然这不能满足对TA18钛管数控弯曲精确成形分析的需要。

此外，现有的商用有限元软件自带模块中并没有考虑收缩应变比和弹性模量变化的本构关系[17]，但它提供了方便的接口。

这就面临如何建立考虑收缩应变比和弹性模量变化的TA18钛管的数控弯曲有限元模型，以及研究钛管材料参数变化规律对数控弯曲成形的影响等难题。

TA18钛管的材料特性使得其数控弯曲后的卸载回弹与不锈钢、铝合金管的显著不同，表现在：回弹角较不锈钢、铝合金管大得多[18]；由于不贴模和截面畸变缺陷增加了弯曲段曲率分布的复杂性，回弹半径也与不锈钢、铝合金管有所不同[19]。

这些差异表明TA18钛合金弯管件的形状尺寸精度较不锈钢、铝合金管的更不易控制，因而难于满足装配和使用要求，而且这些差异还增加了
TA18钛管数控弯曲精确成形的难度。

为此，迫切需要实现对TA18钛管数控弯曲精确成形，而这需要以考虑TA18钛管的管材特性和成形特点为基础。

研究包括TA18钛管收缩应变比和弹性模量的宏观变化规律与微观机制、考虑收缩应变比和弹性模量变化的TA18钛管数控弯曲有限元模型建立、收缩应变比和弹性模量变化规律对TA18钛管数控弯曲成形与回弹的影响、TA18钛管数控弯曲精确成形研究等。

但目前对同时考虑收缩应变比和弹性模量变化的TA18钛管数控弯曲成形的研究鲜见报道。

因此，研究收缩应变比和弹性模量的宏观变化规律与微观机制，建立考虑塑性应变比和弹性模量变化的TA18钛管数控弯曲成形和回弹全过程有限元模型，深入系统地研究考虑收缩应变比和弹性模量变化规律对TA18钛管成形与回弹的影响，并最终实现TA18钛管数控弯曲精确成形，已成为管数控弯曲精确成形技术研究和发展中亟待解决的关键问题。

本章首先对管材弯曲成形进行了概述，然后综述了与管材数控弯曲成形相关的研究现状，进而提出了TA18钛管数控弯曲技术发展迫切需解决的关键问题，阐述了本文的选题背景和意义，并确定了本文的研究内容和研究思路。

1.2 管材弯曲成形概述
1.2.1 管材弯曲成形原理及特点
管材塑性弯曲成形原理与板材弯曲类似，均是在外载作用下，外侧区域材料受到切向拉应力作用发生拉伸变形，内侧区域材料受到切向压应力作用发生压缩变形[20, 21]，应力状态如图1-1所示。

一般来说，无论是应力中性层还是应变中性层都不与几何中心层重合，会发生不同程度的内侧偏移。

就变形程度来说，最外侧和最内侧金属的变形程度最大，越靠近中性层，变形程度越小。

但是，由于管材截面是中空的，弯曲时由于几何结构的限制，管材的弯曲成形特点、应力/应变等变形行为和板材弯曲存在一定差别[22]。

管材在塑性弯曲过程中，外侧区域材料受拉出现壁厚减薄，内侧区域受压壁厚增厚。

应力/应变也较为复杂，与管材中空截面结构和内部支撑形式等边界条件有关，如圆管、扁管、矩形截面和其它异型截面，内部支撑形式有无芯模、芯头个数和芯头结构[23,24]等。

这些特点使得管材在塑性弯曲成形过程中容易出现一些缺陷，如壁厚过度减薄甚至破裂、截面畸变、失稳起皱等(图1-2)。

图1-1 管材弯曲时的受力及其应力-应变状态[25]
Fig.1-1 Force analysis and stress-strain state during tube bending[25]
图1-2弯管主要成形缺陷[21]
Fig.1-2 Major defects in tube bending process[21]
1.2.2 管材弯曲成形方法
根据对成形质量、成本与周期要求的不同，实际生产中，人们逐渐发展了多种弯管成形工艺，在众多管材弯曲成形技术中，如滚弯、推弯、压弯、激光感应弯曲、绕弯等[26-32]，如图1-3所示。

报道较多且具有代表性的是推弯和绕弯工艺[33,34]。

推弯类似于挤压，适合厚壁管材的热成形，所需成形力大，辅助装置较多，不适合冷成形，尤其是薄壁类管材。

与推弯相比，绕弯对材料、管材规格、截面形式等变化适应性强，效率高，设备经济性和扩展性强，可实现薄/厚壁大、小直径不同截面，如圆形、矩形、椭圆类管材的冷、热成形。

此外，由于弯曲工艺的成形特点，滚弯、推弯、压弯、激光感应弯曲都难以满足航空、航天等高技术领域对空间复杂TA18钛管件弯曲的高精度要求，以及对成形过程的高效率、低成本要求。

(a) (b)
(c) (d)
(e)
图1-3 管材弯曲方法[26-32] : (a) 滚弯; (b) 推弯; (c) 压弯; (d) 激光感应弯曲; (e) 绕弯Fig.1-3 Tube bending methods[26-32] : (a)roll-bending; (b) pushing bending; (c) press bending;
(d) laser heating bending; (e) rotary draw bending
数控弯管成形过程主要是以绕弯加工方式来实现的，工作原理如图1-4[35]所示：管件的一端由夹持模压紧在弯曲模的镶块上，在管件与弯曲模的切点附近外侧装有压力模，弯曲内侧装有防皱模，管件内部有芯棒与芯头支撑，当弯曲模绕机床主轴转动时，管件就绕弯曲模逐渐弯曲成形。

数控弯管技术由于易于实现数字化精确成形和高技术化，并具有快速形成批量生产的能力和高效、节约、质量稳定的特点。

已成为航空、航天和汽车等领域弯管轻量化构件制造
的先进塑性加工技术，代表着管材先进弯曲成形技术的发展方向，适于TA18钛管材的精确弯曲成形，在国际上已得到了极大关注和广泛应用。

因此，从需求和技术本身两方面均说明，TA18钛管数控弯曲精确成形技术是管材弯曲成形技术的发展趋势。

(a) (b)
图1-4 数控绕弯成形设备及模具[31]: (a) 数控绕弯设备; (b) 成形模具Fig.1-4 NC rotary draw bender and forming dies[31]: (a) equipment; (b) forming dies
1.3 相关领域国内外研究现状
本节从与钛管材料参数变化规律对数控弯曲成形的影响相关的收缩应变比和弹性模量的研究、管材弯曲有限元建模的研究以及管材数控弯曲成形研究三方面，综述国内外相关领域研究现状。

1.3.1 收缩应变比和弹性模量
1.3.1.1收缩应变比变化规律研究
收缩应变比是管材周向应变与径向应变的比值[8]，是衡量管材厚向异性的重要指标。

与之对应的是，板材的厚向异性通常由厚向异性指数来衡量，用r符号表示，它被定义为板材宽向应变与厚向应变的比值[9,10]。

由于TA18钛管复杂的轧制工艺，使得管的机械性能具有显著的厚向异性特征。

目前，不少研究认为收缩应变比与织构演化[36,37]、应变路径及变形程度密切相关[38]。

Arthey等[39]研究了铝镇静钢和钛轴承钢在Luders范围(靠近屈服应变)和随后的均匀变形范围内的r值，发现：r值在Luders范围内较稳定，之后随着应变的增加朝着某一值逐渐的减小。

Gilmour等[40]研究发现靠近屈服应变附近r值出现显著的震荡波动，研究得到了2024-T3规格的铝合金板材在0.002-0.14应变范围内r值的变
化规律。

Lin等[41]研究发现r值在低应变下显著的无规律分布，随着轧制程度的增加，r值在后来的变形中单调的减小。

Danckert等[42]发现IF钢的r值在变形的初始阶段增加，在后来的变形中逐渐的减小。

Srbislav等[43]研究发现DC04板材的r值在初始变形阶段增加，当达到一定值后开始变得稳定，在最后的变形阶段呈现逐渐的减小趋势。

但是对于AlMg4.5 Mn0.7板材随着塑性变形的增加，r值在整个变形过程中均表现出逐渐减小趋势，在变化过程中r值同时还会出现较小的波动变化。

Andar等[10]研究了AZ31镁合金板材的r值随着塑性变形的增加而呈增加趋势。

此外，吴向东[44]研究发现对于金属板材，r值可以影响塑性变形行为。

上述的研究主要集中在板材的研究，而对于管材收缩应变比变化的研究鲜见报道。

目前已有多种测量管材收缩应变比的方法，其中采用最多的是美国航空标准AS4076[8]，这种方法常被认为传统的测量方法，采用这种方法一次实验仅能获得一个应变量下的收缩应变比。

这意味着，如欲获得不同应变量下的收缩应变比，需要进行不同应变量的多次拉伸实验。

Murty 等对传统测量收缩应变比的方法进行了改进，受限于文献[8]中要求的激光测微器，采用引伸计测量拉伸过程中标距应变变化。

然而这种方法获得的收缩应变比与传统的方法获得的收缩应变比相比，误差最大可达50%[45]。

Hwang等[45]提出了另外一种方法，也采用与Murty相同的方法，而不同的是通过反复加载-卸载的单向拉伸，分别测量不同拉伸变形量后的试样外径和轴向标距的值。

采用此两种方法可获得连续的收缩应变比，研究发现经过去应力退火的锆-4合金管的收缩应变比的值在轴向塑性应变小于5%时呈现减小趋势。

上述方法中采用标距为50mm的大标距，仅能获得小应变量下(约0.04) 的收缩应变比。

然而，TA18钛管弯曲成形时经常伴随大应变的发生[46]。

目前对于大应变下TA18钛管收缩应变比变化的研究尚未见报道。

管材的收缩应变比除了可以直接通过宏观的实验方法测量获得外，还可以借助电子背散射衍射技术(EBSD) 通过微观的方法获得[47]。

接下来主要概述与收缩应变比微观机制密切相关的织构的国内外研究进展。

多晶材料是由许多晶粒组成的。

按照晶粒晶体学取向分布可将多晶材料分为两种：一种是多晶材料内晶粒取向分布偏离完全无序状态，整个材料的取向呈现出具有某种择优取向的状态，称为织构。

另一种情况则是多晶材料内晶粒取向分布呈完全无序状态，为随机分布状态。

随着对织构信息研究的深入，现代织构理论普遍认为：织构是多晶体的取向分布状态偏离随机分布的现象[48]。

多晶体金属材料的织构组成受到材料成分、变形条件(变形程度、变形速度和
变形几何条件等)、材料的性质(初始晶粒度、初始织构、冶金质量、晶体结构、元素组成及含量等) 和退火工艺等因素影响[49-51]。

当存在随机织构的多晶材料进行塑性变形至一定的变形程度后，能够使得晶粒内的晶格取向发生转动，甚至使晶格内部特定的晶面和晶向趋于一定的方向和角度。

结果多数晶粒取向会集中到某些特定方向上来，从而形成织构。

作为织构种类之一的形变织构，其取决于变形方式和晶体材料的性质。

在变形过程中，当变形方向与晶格取向一致时，晶格位向关系则越显著，变形织构的强度也越大。

对钛合金等密排六方金属来说，滑移与孪生均是主要塑性变形方式。

一般认为密排六方金属中的冷轧织构为(0001)<2110>，但对钛(c/a=1.587)、锆(c/a=1.593) 和铍(c/a=1.568) 等c/a值较低的六方金属冷轧织构的分析表明，它们都具有基本一致的织构。

这种轧制织构一般用取向(0001)<1010> 绕轧板轧向转动一定角度表示。

对于滑移行为受限的密排六方金属α-Ti，可通过控制晶粒的各向异性改善材料的机械性能[50]。

上世纪末对钛材的织构研究多集中在板、棒材方面[52-56]。

Said等[57,58]研究发现纯钛板材冷轧变形率不同能引发变形织构的不连续变化，结果表明：10%变形时主要发生孪生，形成典型的冷轧织构(2115) <0110> 等，而形变超过40%以后滑移为其主要的塑性变形机制。

这是由于孪生
zkq 20151222
大量产生及其后的交互作用，以及形变后的高密度位错限制了孪生的倾向。

但在86%以上冷轧变形，此时<c+a> 滑移将会被激活，使钛的c轴转向板材的检测面的切向方向，与40%以下变形时形成典型冷轧织构相同。

与板材织构的研究内容近似，管材的织构可以用材料的晶体学坐标和管材坐标之间的关系来描述。

图1-5是Cheadle等对管材坐标系的定义[59]。

将管材的长度方向定义为轴向(AD)；外表面法线方向为径向(RD)；外表面的垂直于AD的切线方向为周向(TD)。

对于晶体结构为密排六方的合金，主要以研究(0002) 晶面(基面) 在样品坐标系中的分布来反映其织构特点。

图1-5中同时还列出了基
面的典型分布。

图1-5 管材的坐标系和典型的基面取向[59]
Fig. 1-5 Coordinate system of the tubes and the typical orientation of the basal plane[59]
锆与钛属于同族金属，在室温下都具有密排六方结构，国内外对Zr 合金管材织构及其影响因素进行了大量分析。

因此可以借助锆管的研究结果分析钛合金织构的形成机制。

锆合金管材轧制变形后其晶体基面与主要形变方向平行，最终的织构可以通过改变加工时的Q 值来控制[60]：当采用以减径为主 (Q<1) 的加工工艺时，主要形成 <0002> 基轴取向周向的织构；当以减壁为主 (Q=1~2)时，主要形成 <0002> 基轴取向径向的织构，如图1-6 所示。

Vaibhaw 等[61]对采用不同Q 值轧制的Zr-4管材变形织构及再结晶织构进行了分析，结果表明：随轧制Q 值的增大，管材RD 方向的变形织构强度增大，而管材径向再结晶织构的 (0002) 基面的形成主要与热处理时释放的冷加工所受应力有关。

Girard 等[62,63]对Zr-4冷轧管材变形织构进行了数值模拟及实验验证。

结果表明，采用合适的冷轧参数可以获得需要的管材织构。

美国宇航用TA18钛管材相关标准[64,65]指出：沿管材横断面分布的径向织构有助于提高管材的强度和塑性，环向织构有利于提高材料工艺性能。

冷轧时相对减壁量和相对减径量的比值 (Q 值)、以及收缩应变比与管材的织构密切相关。

大Q 值轧制有助于管材径向织构的形成 (图1-6)[66]。

于振涛等[67,68]对Ti-2Al-2.5Zr 合金和Ti-15-3合金的冷轧态及退火态管材的织构进行了标定。

吴圣华等[69]依据理想织构中的织构因子f R 和参数R 之间的经验公式，基于MSC.Marc 有限元平台预测了冷轧过程中三辊冷轧钛管中织构的分布。

Ubhi 等[70]采用EBSD 方法，实验研究了TA18钛管精密冷轧变形织构演变规律。

结果表明精密冷轧后，成品管材的织构分布以 (0001) 面基面织构分布为主，并且可以通过改进轧辊芯棒设计，改善成品管材的织构分布状态。

陈逸等[71]研究冷轧TA18钛管组织与织构演变。

结果表明：TA18钛管冷轧组织为典型的纤维状组织，滑移变形为主要变形机制。

其中，轧制初始阶段，变形主要以(1010)棱柱滑移为主。

随着变形量的增大，(0001)基面滑移代替棱柱滑移，成为管材中的主要变形方式，同时棱柱滑移开始逐渐开动。

当变形量进一步增大时，棱柱滑移代替基面滑移，成为管材中的主要变形方式，织构主要以
(1012)(1013)(1014)(1123)和
(1124)棱锥织构为主。

张旺锋等[72]实验对比研究了国内外典型规格TA18钛管的织构分布和管材性能，表明进口管材性能普遍优于国内管材。

这是因为进口管材织构主要以径向织构 (六方晶粒基极c 轴平行于管材径向) 为主。

杨磊[47]采用EDSD 方法，实验测定了TA18钛管横截面的织构分布，并用Kearns 因子进行定量表征。

结果表明，晶粒出现了明显的择优取向，其中基极 (c 轴) 主要以沿管材径向方向分布为主。

zkq 20151222。