纯钛板材V型弯曲中弯曲速度对回弹和减薄行为的调控机制及微观结构演化研究

本研究针对钛板材成形中回弹(springback)和厚度不均的行业难题，通过1-100 mm/min梯度速度的V型弯曲实验，结合EBSD(电子背散射衍射)和KAM(核平均取向差)分析，首次揭示了高速弯曲会形成厚中层弹性区加剧回弹(7.0° vs 5.8°)，但能提升厚度均匀性(Δt 降低50%)的竞争机制，为航空航天领域高精度钛构件成形工艺优化提供理论依据。

　　

在航空航天和汽车制造领域，钛合金板材因其优异的比强度和耐腐蚀性被广泛应用，但成形过程中的回弹现象(springback)导致尺寸偏差，成为制约高精度制造的瓶颈问题。相较于钢材，钛的弹性模量更低，薄板成形时回弹更显著，而当前通过有限元模拟补偿或高温成形的方法存在成本高、效率低的缺陷。更关键的是，传统研究多聚焦外部工艺优化，对弯曲过程中微观结构演化与回弹的关联机制认识不足，特别是弯曲速度这一可调控参数对内部变形行为的影响尚未阐明。

为破解这一难题，来自韩国的研究人员在《Materials》发表了创新性研究。团队采用冷轧退火处理的商业纯钛板材(ASTM grade 1)，通过1、10、100 mm/min三组速度的V型弯曲实验(对应应变速率1.3×10^-4
-1.3×10^-2
s^?1
)，结合EBSD、KAM和GOS(晶粒取向扩展)等多尺度表征技术，系统分析了速度对回弹角、厚度分布及孪晶演化的影响。研究特别设计了10°小角度弯曲实验捕捉初期变形特征，并采用ASTM E290标准试样确保数据可比性。

3.1 初始微观结构与弯曲特性
退火板材呈现典型的TD分裂基面织构，KAM_avg
=0.30显示低存储应变能。随着弯曲速度提升，最大弯曲应力从457.8 MPa增至521.0 MPa，表明应变速率强化效应抑制了动态回复。

3.2 中心区微观结构对回弹的影响
EBSD揭示高速(100 mm/min)弯曲会形成19.2%厚度的未变形中层区(KAM_mid
≡0.30)，其弹性恢复导致回弹角达7.0°，比低速(1 mm/min)增加20.7%。内/外区分别激活{10–12}和{11–22}孪晶，但高速使孪晶边界密度l_{10–12}
下降57%。

3.3 不同速度下的孪晶行为
低速(1 mm/min)弯曲时内区单个晶粒可激活3个孪晶变体(如TT3/TT6/TT4)，而高速时仅保留高Schmid因子变体。这种选择性与应力波动幅度相关，低速下次要应力分量更易触发低SF变体。

3.4 厚度减薄均匀性
100 mm/min弯曲使中心厚度减薄量Δ_t
从0.04 mm降至0.02 mm，且变形沿表面横向扩展更均匀(孪晶区水平长度增加30.5%)，证明高速能有效抑制局部减薄。

3.5 表面区变形传播特征
10°弯曲实验显示，高速组(100 mm/min)初期即形成横向延伸但更浅的孪晶区(深度减少37%)，这种"横向优先"的变形模式在后续90°弯曲中持续保持。

该研究首次建立了弯曲速度-微观结构-宏观性能的关联模型：高速抑制厚度方向变形渗透，通过形成厚弹性中层加剧回弹，但促进横向应变分布改善厚度均匀性。这一发现为钛板材成形工艺的"速度调控"提供了明确指导：在燃料电池双极板等抗断裂关键部件中，可牺牲部分回弹精度(通过后续补偿)换取更均匀的厚度分布；而在航天密封件等尺寸敏感场景，则需采用低速成形。研究突破传统工艺优化的经验模式，从微观机制层面为钛材成形提供了可量化的速度选择依据，对推动轻量化结构制造具有重要意义。