摘要
具有优异生物化学相容性和生物力学相容性的工业纯钛材由于其强度较低使其应用受到限制，而组织超细化是提高工业纯钛材力学性能、扩大其应用范围的有效途径。等径弯曲通道变形(Equal Channel Angular Pressing，简称ECAP)技术是目前制备块体超细晶材料的主要技术之一，它通过剧烈的纯剪切变形获得块状超细晶材料。为了获得超细晶工业纯钛材，并研究其ECAP变形规律和组织演变规律，揭示其组织细化机理和强化机理，本文采用理论分析、有限元数值模拟和实验相结合的方法，对工业纯钛ECAP变形，组织演变和力学性能进行了研究。 采用网格/节点映射技术，建立了工业纯钛多道次ECAP变形三维有限元模型，解决了通过旋转试样后网格划分及变形历史继承的多道次模拟问题，对工业纯钛成功进行了A、Ba、Bc和C方式多道次室温ECAP变形的三维有限元模拟。 模拟结果表明，随变形道次的增加，Ba、Bc和C方式的ECAP变形试样的等效应变分布均匀性逐渐增加，而A方式的等效应变分布均匀性降低;C方式和Bc方式的等效应变分布比A方式和Ba方式更均匀;4道次变形后C方式的平均应变最小，Ba、Bc方式的最大。 通过模拟和反复试验，发现ECAP变形过程中，试样上下面的金属流动速度差是造成工业纯钛试样断裂的主要原因。通过增加出口通道背部摩擦或改变试样头部的形状，使等效应变、等效应变速率分布均匀性提高，有利于实现工业纯钛的ECAP变形。 根据模拟结果，增加出口通道背部摩擦力和内圆角，成功实现工业纯钛Φ=120°模具BC方式8道次室温ECAP变形，获得了平均晶粒尺寸为～200nm，抗拉强度为～791MPa的超细晶试样。 在工业纯钛Φ=120°模具ECAP变形试验的基础上，根据模拟结果，通过改变试样头部的形状，进一步改变变形金属的流动规律，进而改变试样的附加应力，成功实现工业纯钛Φ=90°模具BC方式2道次室温ECAP变形，获得了平均晶粒尺寸为～250nm，抗拉强度为～725MPa的超细晶试样。 工业纯钛室温ECAP变形组织细化的过程:变形初期，由剪切变形形成的板条状组织和孪生形成的孪晶自身和相互交割使晶粒碎化，并在晶粒内部产生大量的位错缠结和位错胞。随着挤压道次的增加，位错向位错胞壁运动逐渐形成具有小角度晶界的亚晶，小角度晶界组织通过位错的相互作用向大角度晶界组织转化，逐渐形成具有大角度晶界的超细晶组织。 室温ECAP变形工业纯钛强度的提高是细晶强化、位错强化及孪晶强化共同作用的结果。
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