引(yin)言
管路(lu)构(gou)件(jian)作为起着(zhe)介质传输(shu)和(he)结构承(cheng)载等重(zhong)要作(zuo)用的典型(xing)构(gou)件，被(bei)广(guang)泛(fan)应(ying)用(yong)于(yu)航(hang)空(kong)、航(hang)天(tian)、汽(qi)车、核电(dian)、医疗(liao)以(yi)及日(ri)常生活中(zhong)等(deng)诸多(duo)领域，也(ye)被(bei)称为(wei)“工业(ye)动脉”[1,2]。特别是在(zai)航空航天等(deng)高(gao)端装备(bei)领(ling)域(yu)，管路(lu)构(gou)件(jian)被(bei)应(ying)用于液压、气动(dong)和(he)燃油等核(he)心(xin)系(xi)统(tong)中(zhong)起流体(ti)动(dong)力传(chuan)输(shu)等关键功效（如(ru)图 1 所(suo)示(shi)），材(cai)料和规格种(zhong)类繁(fan)多(duo)且量大(da)面广(guang)，被(bei)誉为航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)飞行器的“血管(guan)类”零(ling)件和生(sheng)命控(kong)制(zhi)线[3,4]。这类(lei)构(gou)件(jian)在服(fu)役(yi)过程中(zhong)往(wang)往(wang)长期(qi)处于高(gao)/低温(wen)、高压、振动(dong)或(huo)油(you)气(qi)侵蚀等(deng)恶(e)劣的(de)环(huan)境当中，其性(xing)能(neng)的优(you)劣将直接(jie)影(ying)响飞行器(qi)的安全(quan)和(he)适(shi)航(hang)
性(xing)能。当前先(xian)进飞行器(qi)和(he)发动(dong)机装备(bei)的(de)换代(dai)发(fa)展(zhan)，对高性能管材(cai)耐高压(ya)、高可靠和长寿(shou)命(ming)等(deng)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高要(yao)求(qiu)，迫(po)切需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)具(ju)有轻质高强、抗(kang)疲劳以(yi)及耐(nai)腐(fu)蚀(shi)优异(yi)特(te)点(dian)的新型钛合金等(deng)材(cai)料(liao)并提(ti)升(sheng)管(guan)材精确成形制(zhi)造能力，从而(er)全面提(ti)升(sheng)飞(fei)行器的(de)综合指标和性(xing)能(neng)。
在(zai)众多(duo)管(guan)材制备工(gong)艺(yi)中(zhong)，皮尔格冷(leng)轧(ya)过(guo)程中(zhong)管(guan)材(cai)经(jing)历(li)了压(ya)应(ying)力主(zhu)导的增(zeng)量(liang)局部(bu)加(jia)载(zai)作用，具(ju)有(you)道(dao)次(ci)变形量(liang)大(da)、尺寸(cun)精(jing)度高、表面(mian)质量(liang)好、生(sheng)产(chan)效率高等优(you)点(dian)，已(yi)成为(wei)薄壁难(nan)变形(xing)管材(cai)制(zhi)造(zao)的(de)优选(xuan)工艺(yi)[5-7]。然(ran)而(er)，皮(pi)尔格冷轧(ya)涉(she)及局部(bu)加载下多行程(cheng)和(he)非(fei)稳态(tai)成(cheng)形(xing)过程(cheng)，管(guan)材(cai)在(zai)冷轧过(guo)程(cheng)中经(jing)历了(le)复(fu)杂(za)的(de)加载(zai)路径[8-10]，同时对(dui)于(yu)钛(tai)合(he)金(jin)和(he)锆合(he)金等难(nan)变形(xing)材(cai)料(liao)来(lai)说，成(cheng)形(xing)过程往往要(yao)经(jing)历多(duo)道次(ci)冷轧(ya)结合(he)中间和最(zui)终热处理来完成，加(jia)之(zhi)此(ci)类(lei)材(cai)料(liao)密排(pai)六(liu)方非(fei)对称晶体结(jie)构(gou)特(te)征(zheng)，导致(zhi)管(guan)材(cai)在(zai)冷(leng)轧中极(ji)易发生显(xian)著(zhu)不均匀变(bian)形，使得管材(cai)微(wei)观(guan)织(zhi)构(gou)演变规律复(fu)杂(za)并导(dao)致(zhi)分(fen)布(bu)的(de)不确(que)定(ding)性(xing)，进(jin)而严(yan)重(zhong)影(ying)响管材(cai)的(de)力学性能、后(hou)续成(cheng)形性(xing)能以及(ji)最终(zhong)服役性(xing)能[11,12]，诸如(ru)管(guan)坯初始(shi)织(zhi)构、道次(ci)变(bian)形分(fen)配(pei)、中间(jian)及最(zui)终退(tui)火工艺以(yi)及模具和(he)工艺(yi)参数(shu)等设(she)计稍(shao)有(you)不慎都(dou)会严重影响(xiang)冷(leng)轧(ya)过(guo)程微(wei)观织构分布，进(jin)而(er)造(zao)成(cheng)管材(cai)性(xing)能的波动，给管(guan)材形(xing)性精(jing)确调控带(dai)来严(yan)峻的(de)挑战(zhan)。因(yin)此(ci)，深(shen)入系统(tong)研(yan)究难变形(xing)管(guan)材(cai)皮尔(er)格(ge)冷轧(ya)成(cheng)形(xing)全(quan)过程微(wei)观(guan)织构演(yan)变(bian)规(gui)律与机理，建立(li)微(wei)观(guan)织构有(you)效调(diao)控方法(fa)，是实现(xian)其(qi)高(gao)性(xing)能(neng)精(jing)确成形制(zhi)造(zao)的(de)关(guan)键所(suo)在。
本文首先(xian)对无(wu)缝管材(cai)皮尔(er)格(ge)冷(leng)轧(ya)成(cheng)形(xing)技术进行概述(shu)，并(bing)对难(nan)变形(xing)管(guan)材多道(dao)次(ci)皮(pi)尔(er)格(ge)冷(leng)轧(ya)成形全过(guo)程(cheng)特(te)点(dian)进行(xing)分析(xi)；详(xiang)细(xi)综述(shu)分析了管(guan)材皮(pi)尔格冷(leng)轧成形过(guo)程宏(hong)观不(bu)均(jun)匀(yun)变(bian)形与微(wei)观织(zhi)构(gou)演(yan)变(bian)预(yu)测建模及管材冷轧过(guo)程微(wei)观(guan)织(zhi)构演(yan)变(bian)规律(lv)与调控方法方面(mian)的国(guo)内(nei)外研究现(xian)状(zhuang)，在此(ci)基础(chu)上(shang)针(zhen)对目前(qian)研(yan)究(jiu)中存(cun)在(zai)不足，探(tan)讨了难(nan)变(bian)形管材(cai)多(duo)道(dao)次冷(leng)轧(ya)全(quan)过(guo)程微(wei)观织构精准调(diao)控(kong)及高(gao)性(xing)能(neng)制(zhi)备尚(shang)待(dai)解(jie)决(jue)的问(wen)题及未(wei)来可能的(de)发展方(fang)向(xiang)。
1、 管(guan)材多道次(ci)皮尔格冷轧(ya)成形特(te)点(dian)
无(wu)缝(feng)管(guan)材的(de)典(dian)型(xing)制(zhi)备工(gong)艺主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)挤(ji)压、拉(la)拔(ba)和(he)轧(ya)制成形(xing)，如(ru)表(biao) 1 所示(shi)。其中(zhong)，挤压(ya)成(cheng)形(xing)技(ji)术保证(zheng)了(le)管(guan)材在成形过程中受到(dao)压应(ying)力为(wei)主(zhu)的作(zuo)用(yong)，但是(shi)属于一次成形，而(er)高(gao)强度(du)管(guan)材成(cheng)形过程中(zhong)变(bian)形抗力(li)极(ji)大，因(yin)此管(guan)材挤压成形(xing)普遍(bian)采(cai)用热(re)挤(ji)压(ya)的(de)方式(shi)进行(xing)，从(cong)而导致(zhi)成(cheng)品管(guan)材(cai)尺寸(cun)精(jing)度较(jiao)低(di)、成形(xing)过程材(cai)料损失严重以(yi)及组织性(xing)能(neng)不(bu)均匀(yun)等缺陷，热(re)挤压主(zhu)要(yao)应用于厚(hou)壁(bi)管(guan)坯的(de)制备。拉拔成形得(de)到(dao)的(de)制品(pin)虽(sui)然尺寸(cun)精度(du)高且表面(mian)质(zhi)量(liang)好，但(dan)由(you)于(yu)管(guan)材在成形过(guo)程(cheng)中受到(dao)拉应(ying)力为主的作用且(qie)同(tong)样(yang)属于(yu)一次成形(xing)，导致(zhi)其每道次加(jia)工(gong)率(lv)小、能(neng)量消(xiao)耗(hao)较大(da)以(yi)及生(sheng)产效(xiao)率较低，因此(ci)只适(shi)合(he)制(zhi)备(bei)强(qiang)度低(di)且(qie)直(zhi)径(jing)很(hen)小(xiao)的(de)管材(cai)。周期式(shi)冷(leng)轧技(ji)术(shu)在(zai) 19 世(shi)纪 80 年(nian)代首(shou)次(ci)被(bei)提(ti)出(chu)并(bing)逐(zhu)渐(jian)改(gai)进发(fa)展(zhan)为(wei)现(xian)今(jin)的(de)二辊皮(pi)尔格冷(leng)轧成(cheng)形(xing)技(ji)术(shu)，与(yu)前(qian)述(shu)两种无缝管(guan)材成(cheng)形制(zhi)备(bei)工(gong)艺相比，整(zheng)个(ge)二(er)辊皮(pi)尔(er)格(ge)冷轧过(guo)程(cheng)中管材经(jing)历(li)了以压(ya)应力(li)为主(zhu)导(dao)的(de)增(zeng)量(liang)局(ju)部(bu)加载(zai)作(zuo)用，这(zhe)也(ye)使得(de)其(qi)具有道(dao)次(ci)变(bian)形量(liang)大(da)、尺寸(cun)精度高(gao)、表面质(zhi)量好(hao)、生(sheng)产(chan)效率(lv)高等(deng)优(you)点，是众(zhong)多管材(cai)制(zhi)备(bei)工(gong)艺(yi)中尤其(qi)是对(dui)于(yu)难变形薄(bao)壁(bi)管材(cai)最有(you)效(xiao)的一(yi)种高(gao)精度(du)制备工艺[13-15]。
如图 2 所(suo)示，二辊(gun)皮(pi)尔格(ge)冷(leng)轧模(mo)具(ju)主(zhu)要由上下(xia)轧辊和芯棒组(zu)成，轧(ya)辊圆(yuan)周上(shang)开有(you)截(jie)面直径(jing)不(bu)断变化(hua)的凹(ao)槽(cao)，芯(xin)棒直(zhi)径(jing)沿轧制(zhi)方向(xiang)呈不断(duan)减小(xiao)的趋势(shi)，轧辊(gun)凹槽(cao)与芯(xin)棒(bang)之间(jian)的环(huan)形(xing)间(jian)隙构(gou)成(cheng)了轧(ya)制孔(kong)型(xing)，管材(cai)在上(shang)下轧辊(gun)和芯棒的(de)作(zuo)用下持(chi)续(xu)变(bian)形。在轧(ya)制过程中管材和芯(xin)棒在(zai)卡(ka)盘(pan)的(de)限制(zhi)下无法(fa)移动(dong)，轧(ya)辊从后(hou)极(ji)限(xian)位(wei)置移动(dong)到(dao)前极限(xian)位(wei)置(zhi)的过(guo)程(cheng)称(cheng)为正(zheng)行程，轧辊(gun)从(cong)前(qian)极限(xian)位(wei)置移动到(dao)后极限位置(zhi)的(de)过(guo)程称(cheng)为反行程(cheng)，轧(ya)辊(gun)如(ru)此(ci)重复(fu)往(wang)返从而(er)实现管(guan)材(cai)周期轧(ya)制(zhi)过(guo)程。皮尔(er)格(ge)冷(leng)轧(ya)过程也(ye)可(ke)以(yi)分为(wei)前回转(zhuan)段(duan)、工作段(减径段(duan)和壁厚压下段(duan))、定径段(duan)和后(hou)回转段四(si)个不(bu)同(tong)的(de)阶段，前、后(hou)回(hui)转(zhuan)段(duan)的作用(yong)主(zhu)要是(shi)为(wei)了(le)顺(shun)利(li)实(shi)现(xian)管材(cai)的回(hui)转(zhuan)送进(jin)，在(zai)工(gong)作段(duan)管(guan)材发生(sheng)减径减壁(bi)变(bian)形(xing)的同(tong)时(shi)长度伸(shen)长(zhang)，而(er)定径段(duan)主(zhu)要对(dui)管材的内外径(jing)和(he)圆(yuan)度起(qi)到精(jing)整(zheng)作(zuo)用[16,17]。
对(dui)于(yu)强度高且塑性(xing)相(xiang)对较(jiao)差的难(nan)变(bian)形管材(cai)来(lai)说(shuo)，从初始(shi)管坯(pi)到(dao)目标规格的(de)成品管材(cai)往往(wang)要(yao)经历多道(dao)次冷(leng)轧成形，并且(qie)在(zai)每道次(ci)冷(leng)轧中(zhong)间需要(yao)对(dui)管材(cai)进行再结(jie)晶(jing)退(tui)火恢(hui)复(fu)管(guan)材(cai)塑性(xing)以便(bian)于下(xia)一(yi)道次轧制的进行(xing)，最(zui)终道(dao)次冷轧(ya)结束后还(hai)需要对管(guan)材(cai)进行(xing)去(qu)应力退(tui)火以(yi)消除内应(ying)力(li)的(de)同(tong)时(shi)保(bao)留冷作(zuo)硬(ying)化效(xiao)果(guo)。图 3 所示为(wei)难(nan)变(bian)形(xing)钛合(he)金管材(cai)皮(pi)尔(er)格(ge)多(duo)道(dao)次冷轧(ya)全过(guo)程(cheng)示意图，冷(leng)轧过程中诸(zhu)如(ru)初始(shi)管(guan)坯织构、道次轧制(zhi)规(gui)格相(xiang)关的(de)冷(leng)轧变(bian)形(xing)模式(shi)与变(bian)形量、孔型(xing)与工(gong)艺参(can)数(shu)、以及退火(huo)工(gong)艺(yi)都会对(dui)最终(zhong)管材(cai)的织(zhi)构分布带(dai)来(lai)显(xian)著影响。多道(dao)次(ci)冷轧(ya)过程(cheng)中由(you)于(yu)成(cheng)形过程(cheng)的(de)复杂性(xing)以及(ji)工艺(yi)参(can)数的波(bo)动将(jiang)会(hui)显著(zhu)引(yin)起(qi)管材微(wei)观(guan)织构分布的(de)不确(que)定(ding)性，进而(er)严(yan)重(zhong)影响管(guan)材(cai)力(li)学性(xing)能(neng)、弯(wan)曲(qu)等成(cheng)形性能以及疲劳(lao)等(deng)服(fu)役(yi)性(xing)能，这也(ye)是(shi)制(zhi)约管(guan)路(lu)构件高(gao)性能制(zhi)备(bei)的(de)关(guan)键(jian)问题(ti)。
2 、管(guan)材冷轧过(guo)程变(bian)形与(yu)微观(guan)织(zhi)构(gou)演(yan)变预测建模(mo)
2.1 管(guan)材(cai)冷轧(ya)过(guo)程宏观变形预(yu)测(ce)建模(mo)
由于(yu)皮(pi)尔格冷(leng)轧(ya)成形(xing)工艺(yi)以及模(mo)具(ju)孔(kong)型(xing)几何(he)形状的复杂性(xing)，导(dao)致管材皮尔(er)格(ge)冷(leng)轧(ya)实验成本(ben)高且(qie)周期(qi)长(zhang)，同时实(shi)验(yan)研究难以(yi)准(zhun)确(que)全(quan)面的(de)获得(de)冷(leng)轧(ya)过程(cheng)管材变形(xing)行为(wei)，而数(shu)值模拟可(ke)以获(huo)得(de)丰富的信(xin)息，能(neng)够考(kao)虑(lv)多(duo)因素(su)和(he)复(fu)杂边(bian)界的影响，是皮尔格冷(leng)轧成形(xing)管材(cai)宏(hong)观变形(xing)行为研(yan)究(jiu)重(zhong)要(yao)的(de)手(shou)段(duan)[18-20]。
Mulot 等[21]建(jian)立了锆(gao)管皮(pi)尔(er)格冷(leng)轧(ya)过程(cheng)的(de) 3D 有限元模型，分(fen)析了(le)一个(ge)轧制(zhi)行(xing)程(cheng)的应(ying)力(li)和(he)应(ying)变(bian)，得(de)到了(le)沿轧(ya)制方向(xiang)的应(ying)力(li)和应(ying)变(bian)分布(bu)状态(tai)。Montmitonnet 等(deng)[22]以 FORGE3 为平(ping)台，针对锆合(he)金(jin)管(guan)皮尔(er)格(ge)轧制建(jian)立(li)了三维弹塑(su)性(xing)有限(xian)元模型(xing)，该(gai)模型将(jiang)周(zhou)期循环运(yun)动(dong)直(zhi)接作用(yong)在轧辊(gun)上，从而简(jian)化(hua)了(le)管材皮(pi)尔(er)格轧制(zhi)中的(de)曲(qu)柄-连(lian)杆(gan)-齿(chi)轮机(ji)构(gou)，分(fen)析了(le)皮(pi)尔(er)格轧制(zhi)一个行程中(zhong)管材(cai)的应力应变分(fen)布状(zhuang)态(tai)，并(bing)得(de)到(dao)了皮尔格(ge)轧制多(duo)行(xing)程(cheng)中管(guan)材上一点的应力应(ying)变(bian)变化规(gui)律以(yi)及材料(liao)流动轨迹，提出(chu)在皮(pi)尔(er)格轧制过程(cheng)中，管材(cai)上(shang)一(yi)点(dian)的(de)应(ying)力(li)变化(hua)规(gui)
律(lv)为正(zheng)负应力交替循(xun)环，极(ji)易导(dao)致(zhi)低(di)周(zhou)疲劳和(he)产生表面(mian)裂(lie)纹，而管材(cai)上(shang)一点的(de)流(liu)动(dong)轨(gui)迹为(wei)螺(luo)旋式前进。不同于单一行程(cheng)的有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)拟(ni)和(he)分(fen)析，黄(huang)亮(liang)等(deng)[23]建(jian)立了钛(tai)合金(jin)管(guan)材多(duo)行(xing)程(cheng)皮(pi)尔(er)格轧制三维(wei)有限元模型(xing)，模(mo)型主要由(you)管材、上下(xia)轧(ya)辊、芯(xin)棒(bang)以(yi)及(ji)推(tui)块(kuai)构成，研究(jiu)了(le)管材冷(leng)轧过(guo)程不(bu)同方向(xiang)应(ying)变(bian)变(bian)化规(gui)律(lv)。楚志(zhi)兵等(deng)[24]以(yi)不锈钢(gang)管为对(dui)象，建(jian)立(li)了(le)一个道(dao)次完整(zheng)轧(ya)制过程的(de)三(san)维有(you)限(xian)元(yuan)模(mo)型(xing)，并利用两辊(gun)轧(ya)机(ji)进行轧制(zhi)试验(yan)验证(zheng)了回弹预测模型的(de)可靠(kao)性与正(zheng)确(que)性。
为了提高(gao)有(you)限元模(mo)拟计(ji)算效(xiao)率和(he)精(jing)度，有(you)关(guan)学者对皮(pi)尔(er)格(ge)冷(leng)轧建模关键(jian)技术进(jin)行了(le)改(gai)进，Lodej 等[25]以皮尔格冷轧锆(gao)管为(wei)研究(jiu)对象，根(gen)据(ju)孔(kong)型曲线(xian)预制(zhi)管(guan)材变(bian)形段并(bing)用(yong)于(yu)模(mo)拟(ni)计算(suan)，待(dai)少(shao)量(liang)几(ji)个(ge)轧制(zhi)行(xing)程(cheng)后管材变(bian)形即趋于稳定，并且认为此时的(de)应力(li)应(ying)变状(zhuang)态与(yu)实际(ji)结果(guo)基本吻合，从(cong)而(er)提(ti)高了(le)计(ji)算(suan)效率(lv)。Strickner 等(deng)[26]基(ji)于(yu) SIMUFACT 有限元软(ruan)件(jian)，建立了(le)无(wu)缝(feng)不(bu)锈钢管(guan)冷(leng)轧(ya)的三(san)维(wei)弹塑性有限元(yuan)模(mo)型，该(gai)模(mo)型通过编写(xie)子(zi)程序并(bing)嵌(qian)入(ru)有限(xian)元(yuan)软(ruan)件中来精(jing)确控(kong)制轧辊周(zhou)期式的循环(huan)运动，并(bing)且根(gen)据(ju)管(guan)材延(yan)伸率(lv)及送进(jin)量，计(ji)算(suan)出(chu)每(mei)一行程
轧(ya)辊运动(dong)的前(qian)极(ji)限(xian)位(wei)置(zhi)，该方(fang)法(fa)简(jian)化了管材轧制运(yun)动过程，缩短了计(ji)算时间，提(ti)高(gao)了计(ji)算(suan)效(xiao)率。Deng 等[27]以(yi) Zr-4 管为研究(jiu)对象(xiang)，建(jian)立材(cai)料模(mo)型时考虑了应(ying)变速率和温(wen)度(du)对(dui)材(cai)料硬化行(xing)为的(de)影响(xiang)，并对(dui)试(shi)验(yan)和模(mo)拟得(de)到(dao)的轧(ya)制力(li)和管材尺(chi)寸(cun)进行对比(bi)，结果(guo)验(yan)证(zheng)了(le)该(gai)模(mo)型(xing)的可靠(kao)性。Azizoglu 等(deng)研(yan)究发(fa)现轧辊的变(bian)形(xing)对(dui)接(jie)触(chu)区长度(du)、轧(ya)制力以(yi)及成品管(guan)精(jing)度(du)有(you)显著影响，在(zai)有限元(yuan)建(jian)模时(shi)将轧(ya)辊(gun)设置为(wei)弹性体并划分(fen)网格[28]，此外(wai)，学者还(hai)通(tong)过充(chong)分(fen)考虑(lv)管材(cai)冷(leng)轧(ya)过(guo)程(cheng)中与(yu)模具和(he)空(kong)气(qi)之(zhi)间(jian)的热辐(fu)射实现(xian)了不(bu)锈钢(gang)管(guan)冷(leng)轧(ya)过程(cheng)温度(du)演(yan)变(bian)的预测(ce)[29]，所建(jian)立(li)模(mo)型(xing)如(ru)图 4 所示(shi)，并(bing)通(tong)过(guo)试(shi)验对比(bi)验(yan)证(zheng)了(le)上述(shu)模型(xing)在(zai)皮(pi)尔(er)格(ge)冷(leng)轧(ya)成(cheng)形(xing)过(guo)程轧制力(li)、应力应(ying)变(bian)、温(wen)度分(fen)布(bu)预(yu)测(ce)方面的准(zhun)确性和(he)可(ke)靠性。Chung 等(deng)[30]在建立(li)不锈(xiu)钢管冷(leng)轧仿真(zhen)模(mo)型(xing)时(shi)考(kao)虑了管(guan)材初(chu)始(shi)壁厚(hou)的不(bu)均匀(yun)性以(yi)及(ji)芯棒(bang)的(de)弹性(xing)变形，模拟结果表明(ming)冷(leng)轧(ya)过程显著(zhu)的(de)塑(su)性变(bian)形(xing)可以明显改(gai)善管材(cai)厚度(du)的(de)均匀(yun)性，同(tong)时(shi)芯棒(bang)的(de)振动是导(dao)致其末(mo)端(duan)产生疲(pi)劳(lao)裂纹(wen)的因素(su)之一。
2.2 管材冷轧过程(cheng)微观(guan)织构(gou)演变预测(ce)建(jian)模(mo)
成形(xing)过程中(zhong)织(zhi)构(gou)的产(chan)生对(dui)材料的(de)各向异(yi)性(xing)以(yi)及(ji)成形(xing)性能等具有显(xian)著(zhu)的影响，为(wei)了能准(zhun)确(que)预测(ce)材料(liao)成(cheng)形过(guo)程中(zhong)的(de)织(zhi)构演变(bian)，以(yi)及降低(di)实(shi)验(yan)成本和(he)提(ti)高效(xiao)率(lv)，大(da)量(liang)学(xue)者开始(shi)利用晶体(ti)塑性(xing)模(mo)型来(lai)模(mo)拟(ni)成(cheng)形(xing)过程(cheng)中的织(zhi)构(gou)演(yan)变(bian)规律。Molinari 等[31]首次建(jian)立了多晶(jing)体(ti)自洽(qia)本构(gou)模型(xing)，并(bing)应用(yong)于(yu)金(jin)属(shu)的大塑性(xing)变(bian)形(xing)过程(cheng)的织(zhi)构(gou)模(mo)拟预测(ce)，在此(ci)基础上(shang)，Lebensohn 等[32]提出(chu)了粘(zhan)塑性自洽(qia)(Viscoplastic Self-consistent, VPSC)模(mo)型，该(gai)模型(xing)考(kao)虑了(le)材料(liao)的各(ge)向异(yi)性(xing)，引入(ru)滑移(yi)和孪生两种(zhong)金(jin)属塑性(xing)变(bian)形(xing)机制(zhi)，并采(cai)用(yong)了(le) PTR(Predominant Twin Reorientation)晶粒旋转计算方(fang)法(fa)和 VFT(Volume Fraction Transfer)晶(jing)粒取向(xiang)体(ti)积(ji)分(fen)数(shu)计(ji)算(suan)方(fang)法，已(yi)经(jing)被(bei)广泛(fan)应用(yong)于定量预测材料(liao)塑性(xing)变形过(guo)程中晶(jing)粒(li)取(qu)向(xiang)的转(zhuan)变(bian)以(yi)及(ji)织构演变[33-45]。
Lebensohn 等[36]通过(guo)引入静态速(su)度梯(ti)度，首(shou)次(ci)将 VPSC 模(mo)型用(yong)于(yu) Zr-4 锆合金(jin)管(guan)材(cai)皮(pi)尔格(ge)冷轧成(cheng)形(xing)的织构(gou)模(mo)拟(ni)预(yu)测(ce)，并(bing)与(yu)实(shi)验(yan)结果对(dui)比(bi)，两(liang)者吻(wen)合较(jiao)好(hao)。然而(er)，采用(yong)静态速(su)度梯度(du)无法表征(zheng)整个(ge)轧制过程(cheng)中(zhong)的(de)变形特征(zheng)，因而(er)无法揭(jie)示整个轧(ya)制(zhi)过(guo)程(cheng)中的织(zhi)构演化规律(lv)。张海(hai)芹(qin)[37]和 Li 等[38]在前(qian)述(shu)研究(jiu)基础上，通过(guo)耦(ou)合(he)有(you)限(xian)元模型和 VPSC 模型(xing)，建(jian)立(li)了(le)高(gao)强(qiang) TA18 钛管(guan)皮(pi)尔格两(liang)辊(gun)冷(leng)轧过(guo)程(cheng)织(zhi)构(gou)预测平台，研究(jiu)了(le)高(gao)强 TA18 钛管的(de)在(zai)不(bu)同(tong)外(wai)部载荷(he)下织(zhi)构演(yan)化与(yu)变(bian)形(xing)机(ji)制(zhi)的关联关系(xi)，分(fen)析了二(er)辊皮(pi)尔(er)格(ge)冷轧过程中管材的(de)织(zhi)构演(yan)变(bian)规(gui)律。Wei 等[39]以高强 TA18 钛管为(wei)研(yan)究对(dui)象(xiang)，在(zai)管(guan)材再结晶退火过程(cheng)微(wei)观(guan)织构(gou)遗传特(te)性的基(ji)础上(shang)，采(cai)用 VPSC 模型迭(die)代(dai)每道次模拟(ni)中管(guan)材(cai)力学(xue)性(xing)能(neng)，并耦合(he)有限(xian)元模型(xing)和(he) VPSC 模型(xing)建立了(le)高(gao)强 TA18 钛管(guan)多(duo)道次(ci)冷轧(ya)全(quan)过(guo)程(cheng)宏细(xi)观(guan)数(shu)值预测(ce)模(mo)型，如图 5 所(suo)示，并通过 3 道次冷轧实(shi)验(yan)和(he)表征验证了(le)模(mo)型(xing)的(de)可(ke)靠(kao)性。此外，VPSC 模(mo)型(xing)也被(bei)广泛应用于材(cai)料各(ge)向(xiang)异性(xing)变(bian)形行为以及变形(xing)机制(zhi)的研(yan)究(jiu)[40-42]，其(qi)中(zhong) Yang 等(deng)[41]结(jie)合实验与 VPSC 模拟，探究了(le)纯(chun)钛材料热(re)力加(jia)载(zai)条(tiao)件下(xia)温(wen)度(du)相(xiang)关(guan)的各(ge)向(xiang)异(yi)性(xing)与拉(la)压非对称性变形(xing)行(xing)为及变形机制。Deng 等[42]基于 VPSC 模(mo)型(xing)，对皮尔格冷(leng)轧(ya)后的(de) Zr-4 锆合(he)金(jin)管(guan)变(bian)形行(xing)为与织(zhi)构(gou)演(yan)变进行(xing)了研(yan)究(jiu)。
3 、管材(cai)冷轧过程(cheng)微(wei)观织(zhi)构演(yan)变(bian)机制(zhi)与调(diao)控(kong)方法(fa)
3.1 管(guan)材冷轧(ya)过(guo)程(cheng)微(wei)观(guan)织(zhi)构演变规律(lv)与机(ji)制
由于管(guan)材(cai)皮尔格冷(leng)轧(ya)成形属(shu)于(yu)局(ju)部(bu)加载(zai)的增(zeng)量(liang)成形过程，成(cheng)形过程(cheng)中(zhong)应(ying)变路(lu)径(jing)的(de)变(bian)化(hua)对管(guan)材(cai)织(zhi)构(gou)的(de)演(yan)变(bian)具有重(zhong)要(yao)影(ying)响。基于(yu)数(shu)值(zhi)模拟(ni)，国(guo)内(nei)外(wai)学(xue)者对(dui)管(guan)材皮(pi)尔格冷(leng)轧(ya)不(bu)同(tong)阶段(duan)管材(cai)变(bian)形(xing)特征(zheng)进(jin)行了深入分析，图(tu)6(a)所(suo)示为(wei)钛(tai)合(he)金(jin)管(guan)材冷(leng)轧(ya)过(guo)程不同变形(xing)阶(jie)段(duan)圆周(zhou)应力分(fen)布特(te)征，从图(tu)中(zhong)可以(yi)看(kan)出冷轧(ya)不(bu)同变(bian)形阶(jie)段(duan)管(guan)材(cai)圆周(zhou)同一(yi)位(wei)置(zhi)应(ying)力状态基(ji)本(ben)是一(yi)致的(de)，并(bing)且管(guan)材(cai)圆周应(ying)力(li)呈(cheng)中(zhong)心(xin)对(dui)称分(fen)布。在(zai)孔型(xing)侧壁(bi)和孔型(xing)开(kai)口(kou)区域(yu)，管(guan)材(cai)主要受到三(san)向压(ya)应力的(de)作(zuo)用(yong)，而(er)在孔型(xing)开口区域(yu)，管(guan)材(cai)受到径向(xiang)和(he)周(zhou)向(xiang)压应力以及(ji)轴向拉(la)应力(li)的作用(yong)。冷轧(ya)
过(guo)程(cheng)中(zhong)管材在圆周(zhou)不(bu)同(tong)位置(zhi)应(ying)力(li)大小(xiao)具有显(xian)著差别，孔(kong)型侧(ce)壁(bi)区域所(suo)受(shou)到的径(jing)向(xiang)和周向(xiang)压应力相(xiang)对(dui)较大，这(zhe)主要是由(you)于(yu)冷(leng)轧孔(kong)型(xing)为(wei)椭(tuo)圆(yuan)形，管材(cai)在上(shang)一行程轧制(zhi)后被压扁(bian)，在下一行程轧(ya)制(zhi)时(shi)经(jing)过回转工(gong)艺(yi)转(zhuan)到(dao)孔(kong)型(xing)侧(ce)壁区(qu)域，因(yin)此(ci)导(dao)致(zhi)了(le)侧壁区(qu)域的相对变形量较(jiao)大(da)。此外(wai)，也(ye)可(ke)以发(fa)现(xian)除圆周(zhou)应力(li)分(fen)布不均(jun)匀外，管材在壁(bi)厚(hou)方向应(ying)力也具有不(bu)均(jun)匀分(fen)布(bu)的特(te)征(zheng)。随(sui)着轧(ya)制(zhi)的(de)进行，管材(cai)在(zai)圆周(zhou)以及壁厚方向变(bian)形逐(zhu)渐(jian)趋于(yu)均匀(yun)，不(bu)同(tong)位置应力(li)大(da)小(xiao)之(zhi)间(jian)的(de)差(cha)异(yi)也逐(zhu)渐(jian)减小(xiao)。图 6(b)为(wei)钛(tai)管冷(leng)轧(ya)过程(cheng)不(bu)同变(bian)形(xing)阶(jie)段管材(cai)圆周(zhou)应(ying)变(bian)分布特(te)征(zheng)，从(cong)图中(zhong)可以(yi)明(ming)显的看(kan)出管材在皮尔格(ge)冷轧(ya)成形(xing)过程中(zhong)经(jing)历(li)了(le)显(xian)著(zhu)的不(bu)均匀(yun)变形。在(zai)减(jian)径(jing)段(duan)管材圆周方(fang)向为(wei)压应变，而径(jing)向和(he)轴(zhou)向(xiang)均为拉(la)应(ying)变，这(zhe)里(li)管(guan)材径向(xiang)发生拉应变(bian)的(de)主(zhu)要原因是由(you)于(yu)冷轧(ya)前期(qi)管材内(nei)表(biao)面与(yu)芯(xin)棒(bang)之(zhi)间存(cun)在(zai)较(jiao)大的(de)间隙，当(dang)轧(ya)辊(gun)对管(guan)材(cai)外表面(mian)进行(xing)压(ya)下(xia)时(shi)，部(bu)分金(jin)属流向管材(cai)壁厚方向(xiang)进而(er)导(dao)致(zhi)了管(guan)材壁厚(hou)的(de)增(zeng)厚(hou)。当(dang)冷(leng)轧(ya)进入到(dao)中(zhong)后期(qi)，管(guan)材(cai)内壁(bi)与芯(xin)棒(bang)发生接触(chu)，管材(cai)呈现(xian)出了(le)轴(zhou)向(xiang)为拉(la)应变(bian)而径向(xiang)和周(zhou)向均(jun)为压应变(bian)的(de)特(te)征[44]。此外(wai)，冷(leng)轧过程(cheng)包括 Q 值、送(song)进(jin)量、回转(zhuan)角(jiao)度(du)及(ji)孔型(xing)开口(kou)大(da)小(xiao)等工(gong)艺参数的(de)变(bian)化(hua)也(ye)被(bei)证实会(hui)
引(yin)起管材变(bian)形(xing)行为(wei)的差(cha)异(yi)[17, 20, 45]。
准确(que)揭示和(he)掌握(wo)冷轧(ya)过(guo)程(cheng)中的(de)微观织构演(yan)变(bian)规律(lv)，是(shi)冷轧(ya)工(gong)艺和(he)模具优化(hua)设(she)计(ji)以(yi)及织(zhi)构(gou)调(diao)控的前提[45,46]。国(guo)内(nei)外(wai)学者对此(ci)做了大量(liang)的相关研(yan)究工(gong)作，Li 等(deng)[47]分(fen)析(xi)了高(gao)强钛管(guan)皮(pi)尔(er)格冷轧过(guo)程中管(guan)材(cai)的织构演变规(gui)律，以应变比来表征(zheng)管(guan)材在(zai)轧(ya)制过程(cheng)中(zhong)的(de)变形(xing)模式并(bing)揭(jie)示(shi)了织构演变与(yu)应变(bian)比(bi) α 之(zhi)间(jian)的关系(xi)，其(qi)中应变(bian)比(bi)反(fan)映(ying)了(le)管材(cai)周向(xiang)与径(jing)向(xiang)变形(xing)的(de)差(cha)异，如图 7(a)所示，结(jie)果表(biao)明管(guan)材晶(jing)粒 c 轴(zhou)在轧制(zhi)过(guo)程(cheng)中(zhong)向最(zui)大(da)压应变方向择优排列(lie)，管材(cai)在减径区(qu)、减径(jing)减(jian)壁(bi)区和定径(jing)区(qu)的(de)应(ying)变比 α 的变(bian)化(hua)各(ge)不相同(tong)，在(zai)减径(jing)区(qu)应变比 α 约(yue)为-64º，在(zai)减(jian)径减壁(bi)区(qu)和定(ding)径区(qu)应(ying)变比 α 在 10º~64º 范(fan)围(wei)变(bian)化，管材(cai)经历了(le)由(you)周向(xiang)织构(gou)向(xiang)径(jing)向织(zhi)构转(zhuan)变(bian)。Deng等(deng)[48]通(tong)过(guo)电(dian)子背散(san)射(she)衍射(Electron Back-Scattered Diffraction, EBSD)手段(duan)对(dui) Zircaloy-4 管(guan)皮尔(er)格(ge)冷轧(ya)不同(tong)变形(xing)阶(jie)段(duan)组织(zhi)与(yu)织(zhi)构(gou)演变进(jin)行(xing)了表征(zheng)，如图(tu) 7(b)所示，并(bing)结合 VPSC 模拟对(dui)冷轧(ya)过(guo)程变形(xing)机制进行(xing)了分(fen)析(xi)，发(fa)现冷(leng)轧(ya)过程管(guan)材(cai)变形以(yi){10-10}柱(zhu)面滑(hua)移(yi)为主。Davies 等(deng)[49]采(cai)用(yong) X 射(she)线(xian)衍(yan)射(XRD)方法(fa)对不(bu)同送(song)进量下(xia)钛(tai)合(he)金管材皮(pi)尔格(ge)冷(leng)轧(ya)过程微(wei)观织(zhi)构演(yan)变进行了测试对比(bi)，其中(zhong)微(wei)观(guan)织(zhi)构强(qiang)度(du)采(cai)用(yong) Kearns-f 因(yin)子(zi)进行定(ding)量(liang)描(miao)述。
Wu 等(deng)[50]采用 EBSD 手段对不(bu)同(tong) Ti-2Al-2.5Zr 钛(tai)管(guan)轧(ya)制(zhi)过程不(bu)同(tong)变形(xing)阶段(duan)微(wei)观织构(gou)演(yan)变(bian)进(jin)行(xing)了(le)表(biao)征分析(xi)，结果(guo)表明柱(zhu)面(mian)滑(hua)移(yi)和{10-12}孪晶(jing)是最(zui)容易激活的两(liang)种变(bian)形(xing)机(ji)制，同时(shi){10-12}孪(luan)晶的(de)产生使得晶粒(li)在(zai)轴(zhou)向上的位(wei)向(xiang)从(cong)<10-10>转(zhuan)向(xiang)<11-20>。
上述研究(jiu)均(jun)以(yi)管(guan)材某(mou)一(yi)层的织(zhi)构作为(wei)反(fan)映管材(cai)整(zheng)体织构(gou)分布的指标(biao)，并(bing)未(wei)考虑轧(ya)制过程(cheng)管材沿壁(bi)厚方(fang)向(xiang)显著(zhu)不均匀变形(xing)及梯度织(zhi)构分布(bu)特征。魏栋等[51]以不锈钢管(guan)冷轧过(guo)程(cheng)为对象(xiang)，基(ji)于(yu)有(you)限元(yuan)模拟(ni)分析(xi)了(le)管材(cai)冷轧过程(cheng)内外(wai)侧变(bian)形演变特(te)征，结果(guo)表(biao)明(ming)冷轧(ya)不同阶(jie)段(duan)管(guan)材(cai)壁厚(hou)方(fang)向内外(wai)侧均表(biao)现出明(ming)显的变(bian)形程度(du)差(cha)异。Kumar 等(deng)[52]结(jie)合(he)实验(yan)表征和有限元(yuan)模(mo)拟(ni)，揭(jie)示(shi)了锆合(he)金(jin)管材冷(leng)轧(ya)过程微(wei)观(guan)组织与织构的(de)梯度分布(bu)特(te)征(zheng)，同(tong)时表(biao)明(ming)管(guan)材壁厚(hou)不(bu)同位置的(de)等效应(ying)变的(de)差异(yi)引(yin)起(qi)管(guan)材壁厚方向(xiang)梯(ti)度(du)组织和(he)织构(gou)形(xing)成的关(guan)键(jian)因素。Juarez 等
通过(guo)中子(zi)衍射和(he)高(gao)能(neng)同步(bu)辐射 X 射(she)线(xian)衍(yan)射(she)的(de)先(xian)进(jin)技(ji)术手段结合 VPSC 建(jian)模(mo)仿真，揭(jie)示(shi)了(le) Zircaloy-4 锆合(he)金(jin)管(guan)材(cai)轧(ya)制过(guo)程局(ju)部织(zhi)构(gou)演(yan)变规(gui)律(lv)与机理(li)，如图(tu) 8 所示(shi)，结(jie)果(guo)表明管材(cai)在轧制全过(guo)程中管(guan)材壁厚(hou)方(fang)向(xiang)均呈(cheng)现(xian)出显(xian)著(zhu)的(de)梯度织(zhi)构分布特征，且(qie)靠(kao)近(jin)内表面径向(xiang)织构(gou)强(qiang)度要明显(xian)高于外(wai)表面(mian)处径(jing)向(xiang)织构(gou)强度，并且<11-20>//轴向(xiang)的(de)纤(xian)维织构得(de)到增(zeng)强同时(shi)晶(jing)粒(li) c 轴(zhou)向管(guan)材(cai)径向(xiang)偏(pian)转(zhuan)[53]。
对(dui)于(yu)高(gao)强 TA18 等(deng)强(qiang)度(du)高且(qie)塑(su)性相对(dui)较(jiao)差(cha)的(de)管材(cai)，往(wang)往(wang)需(xu)要(yao)进(jin)行(xing)多道次(ci)冷(leng)轧才(cai)能满(man)足尺寸要求。为了揭(jie)示多道次(ci)冷轧过(guo)程(cheng)中(zhong)管(guan)材织(zhi)构演(yan)变规律(lv)以(yi)及为织(zhi)构(gou)预(yu)测(ce)和调(diao)控提供(gong)理(li)论依(yi)据(ju)，Cook 等(deng)[54]以(yi)冷(leng)轧(ya)锆(gao)合金管为(wei)对象，发现(xian)在对轧后管材(cai)织(zhi)构(gou)强(qiang)度(du)预测(ce)时(shi)，采(cai)用最(zui)后三(san)道次的 Q 值(zhi)的总(zong)和(he)相比(bi)仅用(yong)最终道次的 Q 值在(zai)预(yu)测管材径(jing)向织(zhi)构强度(du)时更为(wei)准(zhun)确(que)。Saibaba[55]对(dui)比(bi)了(le)三(san)道次和(he)二(er)道次(ci)冷轧(ya)后(hou)锆合金(jin)管(guan)材织(zhi)构强(qiang)度(du)，结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)相比于三道次(ci)轧制(zhi)，两道次轧制时(shi)由于(yu)每道(dao)次(ci)具有(you)更大的变(bian)形(xing)量(liang)和(he) Q 值(zhi)，使得轧后(hou)管材具(ju)有(you)更高的径向(xiang)织构(gou)强度。Krishna 等[56]研究揭(jie)示了 Zr-4 管(guan)在三(san)道次冷轧过(guo)程中的织构演变(bian)，如(ru)图(tu) 9(a)所(suo)示，研究(jiu)结(jie)果(guo)还(hai)表(biao)明相对较大的(de)晶粒(li)的取向(xiang)在(zai)冷轧(ya)和(he)退(tui)火(huo)过(guo)程中对(dui)织(zhi)构(gou)演(yan)变(bian)的(de)贡献也相对(dui)更(geng)大。Mukherjee 等(deng)[57]和(he) Gurao 等(deng)[58]均(jun)针对(dui) Zr-4 管两道(dao)次冷(leng)轧过(guo)程中的(de)织构演变进(jin)行(xing)了(le)表征，研究(jiu)结(jie)果发(fa)现(xian)冷(leng)轧(ya)过(guo)程(cheng)中(zhong)产(chan)生的残(can)余应(ying)力(li)对滑移变形(xing)与织(zhi)构(gou)演(yan)变也(ye)具有(you)一(yi)定的影(ying)响。Vakhitova 等(deng)[59]对(dui)比(bi)了(le) ODS 钢(gang)管两道次(ci)冷(leng)轧两种工艺方(fang)案(an)对(dui)管(guan)材(cai)织(zhi)构(gou)的(de)影(ying)响，如图 9(b)所(suo)示，结果表明(ming)，增(zeng)加中(zhong)间去应(ying)力退(tui)火的(de)方案(an)最终管材<111>取(qu)向有一定增(zeng)强(qiang)，但晶(jing)粒细(xi)化效(xiao)果不(bu)如(ru)无(wu)中间去(qu)应力(li)退(tui)火(huo)的(de)方(fang)案。邓偲(cai)瀛(ying)[60]通过(guo)对(dui)每(mei)道次(ci)初始管(guan)织构(gou)进行测试(shi)，基(ji)于 VPSC 模(mo)型模拟(ni)了(le)锆(gao)管(guan) 3 道(dao)次和 4 道(dao)次(ci)冷轧过(guo)程织(zhi)构(gou)演(yan)变(bian)规律。此(ci)外(wai)大量学者对于 HCP 结(jie)构(gou)金属(shu)退火过(guo)程织构(gou)演变(bian)进(jin)行(xing)了(le)探(tan)究，结果(guo)表明(ming)再结(jie)晶(jing)退火(huo)并(bing)不(bu)能(neng)消(xiao)除冷变(bian)形(xing)形成(cheng)的织(zhi)构(gou)，相(xiang)反(fan)<10-10>和(he)(0001)织(zhi)构由(you)于(yu)晶(jing)粒定(ding)向(xiang)形(xing)核和长(zhang)大的原(yuan)因，导致其在退(tui)火过程中得到(dao)强(qiang)化，而再(zai)结(jie)晶退(tui)火(huo)过(guo)程中材料(liao)仅(jin)发(fa)生完(wan)全(quan)再结晶但晶(jing)粒(li)并未明显(xian)长(zhang)大(da)时(shi)，材(cai)料的织(zhi)构特别(bie)是{0001}取(qu)向(xiang)强(qiang)度(du)变(bian)化(hua)不(bu)显著(zhu)[61-65]。
3.2 管(guan)材(cai)冷轧过(guo)程微观(guan)织(zhi)构调控(kong)方法
针(zhen)对(dui)管材(cai)冷轧(ya)过(guo)程(cheng)微观织构(gou)调(diao)控(kong)，大量学(xue)者研究(jiu)了(le)成形(xing)参(can)数对(dui)管(guan)材织(zhi)构的影(ying)响。其(qi)中(zhong)，Q 值(zhi)被广泛(fan)认为是皮(pi)尔(er)格冷轧(ya)过(guo)程中(zhong)表征(zheng)管(guan)材变(bian)形模(mo)式(shi)以及影响织构演变最(zui)重要的指(zhi)标，其表示(shi)管材(cai)相(xiang)对(dui)减(jian)壁量与相对(dui)减(jian)径量的比(bi)值(zhi)。基(ji)于(yu)大(da)量研(yan)究(jiu)人(ren)员(yuan)针对锆(gao)合(he)金、钛合(he)金(jin)等不同材料的管(guan)材(cai)皮尔(er)格(ge)冷轧(ya)成形(xing) Q 值对织构(gou)演变(bian)的(de)影(ying)响(xiang)规(gui)律研(yan)究结果[66-69]，如(ru)图 10 所(suo)示(shi)，可(ke)以得出以初(chu)始(shi)随机(ji)管材织(zhi)构为(wei)对象(xiang)，当(dang) Q>1 时(shi)，管(guan)材(cai)以减壁变(bian)形(xing)为主导，冷(leng)轧过程(cheng)中(zhong)大部(bu)分晶粒(li) c 轴向管材(cai)径(jing)向偏(pian)转从而(er)使(shi)管(guan)材(cai)呈现(xian)径向织构，而(er)当 Q<1 时(shi)，管材(cai)以(yi)减径变(bian)形为(wei)主(zhu)导，大(da)部分(fen)晶(jing)粒(li) c 轴(zhou)向(xiang)管材(cai)周(zhou)向偏(pian)转从而使(shi)管材呈现(xian)周向(xiang)织构(gou)。陈(chen)胜(sheng)川等[70]通过研(yan)究不同(tong) Q 值对小规(gui)格锆管(guan)织构(gou)和性(xing)能的(de)影(ying)响(xiang)，提出(chu)了 Q 值越大(da)，晶粒(li)纤维化(hua)和(he)取向(xiang)就(jiu)越(yue)明显(xian)，当 Q 值(zhi)在(zai) 1.54~2.46 的(de)范(fan)围内(nei)，轧(ya)后(hou)管材具(ju)有良好(hao)的(de)综(zong)合(he)性(xing)能。
除(chu)变(bian)形模(mo)式(shi)之(zhi)外，Girard 等(deng)[70]、廖(liao)强[72]和 Wang 等[73]以皮(pi)尔(er)格冷轧 Zr-4 管(guan)、TA18 钛管和(he) GH4145 管为(wei)研究对象，发(fa)现变(bian)形程度(du)即冷轧(ya)变形(xing)量对管(guan)材(cai)织(zhi)构(gou)变化(hua)也(ye)具(ju)有(you)重(zhong)要影响。相比(bi)于轧(ya)制(zhi)规(gui)格(ge)相关(guan)的(de)整(zheng)体变形(xing)模(mo)式与变(bian)形程度，由(you)于(yu)皮(pi)尔格冷轧成形模具(ju)孔型(xing)的(de)特殊(shu)性，其孔(kong)型设(she)计(ji)对冷轧(ya)过(guo)程应变路(lu)径也(ye)具(ju)有显(xian)著影响[74,75]，进而(er)引起管(guan)材织构(gou)的(de)波(bo)动(dong)。Zhang 等[76]以皮(pi)尔(er)格冷轧锆(gao)合金(jin)为(wei)对(dui)象，针(zhen)对不(bu)同(tong)的孔型设(she)计(ji)方(fang)案对(dui)冷轧(ya)过(guo)程(cheng)管材变(bian)形行为、瞬(shun)时(shi) Q 值以(yi)及应(ying)变比(bi) α 的(de)变(bian)化进行了模拟(ni)分(fen)析(xi)，如(ru)图 11(a)所示(shi)，结果表(biao)明孔型曲线(xian)的变(bian)化对(dui)冷(leng)轧(ya)过程瞬(shun)时(shi) Q 值和应(ying)变(bian)比 α 的(de)演变(bian)具有(you)显著影响(xiang)，进(jin)而会引(yin)起管材织(zhi)构的(de)变(bian)化。Ubhi 等(deng)[77]通过改变减径量(liang)和减壁(bi)量的分(fen)配设计(ji)了(le)不(bu)同的(de)孔(kong)型曲(qu)线，分(fen)析(xi)了 TA18 钛管(guan)皮尔格(ge)冷(leng)轧(ya)织(zhi)构(gou)演(yan)变规律，如(ru)图 11(b)所示(shi)，结果表(biao)明(ming)冷轧过(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)以(yi)通过改变(bian)模(mo)具(ju)设(she)计(ji)来改(gai)变变形(xing)路径以增(zeng)加径向织构(gou)密(mi)度。Wei 等(deng)[39]结(jie)合(he)仿(fang)真模(mo)拟(ni)和实验研(yan)究(jiu)阐明了初(chu)始织(zhi)构(gou)、变(bian)形模(mo)式(shi) Q 值(zhi)和(he)截(jie)面变形量(liang)对微(wei)观(guan)织构(gou)演变(bian)的(de)交互作(zuo)用(yong)机制，如图(tu) 12 所示(shi)，结果表明对于(yu)不同(tong)的初(chu)始(shi)织构管材(cai)，随着(zhe) Q 值(zhi)与(yu)截(jie)面变形(xing)量的变化，拉(la)伸孪晶 Tt 和锥面(mian)滑(hua)移(yi) Py<c+a>激(ji)活程(cheng)度(du)的(de)改(gai)变显(xian)著(zhu)影(ying)响(xiang)冷(leng)轧过程(cheng)中管材的晶粒转(zhuan)动(dong)和(he)取向变(bian)化；为提高轧后(hou)管材(cai)径(jing)向(xiang)织构强度(du)，Q 值和截(jie)面变(bian)形量(liang)存在对(dui)应(ying)的(de)阈(yu)值，且该(gai)阈值随(sui)着初始(shi)管材(cai) fND 值(zhi)的升(sheng)高不(bu)断(duan)增大(da)，同时建(jian)立了(le)高(gao)强(qiang) TA18 钛管冷轧成(cheng)形参数与径向织(zhi)构(gou)强(qiang)度(du) Kearns-fND 值(zhi)之(zhi)间(jian)的(de)定量关系，相比(bi)传(chuan)统(tong)仅(jin)考(kao)虑 Q 值和(he)变形(xing)量影(ying)响的 Kearns-fND值预测(ce)公(gong)式(shi)，其多(duo)元非线(xian)性(xing)回归(gui)结(jie)果(guo) R 达(da)到了(le) 0.948。此(ci)外在(zai)多道(dao)次冷轧(ya)过(guo)程(cheng)中，采用初(chu)始径向(xiang)织构管坯以及(ji) Q 值递(di)增的(de)道(dao)次变形分配(pei)设(she)计(ji)方案，更(geng)有利于(yu)成品管(guan)材(cai)径(jing)向织(zhi)构(gou)强(qiang)度的提高(gao)。
皮尔格冷(leng)轧(ya)后(hou)管(guan)材呈现出明显(xian)的微观(guan)织构分(fen)布(bu)从(cong)而导致管(guan)材表现出显著的各向(xiang)异(yi)性，尤其对于(yu)密(mi)排六(liu)方(HCP)结(jie)构材(cai)料(liao)，织(zhi)构对(dui)管(guan)材的后续(xu)成形性能和服役性能起着(zhe)至(zhi)关(guan)重要的作(zuo)用[78, 79]。山特维(wei)克(ke)公(gong)司(si)[80]对所生(sheng)产的不同批次 TA18 管材(cai)进行了(le)大量(liang)试(shi)验(yan)，并(bing)采(cai)用 CSR 值(zhi)作(zuo)为表(biao)征管材织构(gou)的(de)指标，CSR＞1.0 代表径(jing)向织(zhi)构(gou)，而(er) CSR＜1.0 则代(dai)表(biao)周(zhou)向(xiang)织(zhi)构。He 等(deng)[81]以(yi)冷轧(ya)制备(bei)获(huo)得的(de)近(jin) α 钛合(he)金管(guan)材为(wei)对象(xiang)进(jin)行(xing)不(bu)同(tong)方(fang)向(xiang)单(dan)向拉(la)伸试(shi)验(yan)，发(fa)现管材轧后微观(guan)织(zhi)构(gou)分布(bu)显著影响其在不(bu)同(tong)方向拉(la)伸(shen)变形过程(cheng)中(zhong)各(ge)滑移机制(zhi)的激(ji)活(huo)程度，进(jin)而(er)导(dao)致(zhi)管(guan)材(cai)表(biao)现(xian)出显著(zhu)的(de)各(ge)向(xiang)拉伸(shen)变(bian)形(xing)行为(wei)。张(zhang)旺峰等[82]对(dui)具(ju)有(you)不同微观织(zhi)构(gou)和(he) CSR 值的(de)高(gao)强(qiang) TA18 钛管单(dan)向拉(la)伸试(shi)验(yan)测试分析(xi)，结果(guo)表明(ming)具(ju)有径(jing)向(xiang)织(zhi)构管(guan)材(cai)在变形过程中趋(qu)向(xiang)于缩径(jing)变形，而周(zhou)向(xiang)织(zhi)构管材变形(xing)以壁(bi)厚(hou)减(jian)薄为(wei)主，CSR 值的增大(da)对于(yu)管材(cai)屈强比(bi)和(he)延(yan)伸(shen)率的(de)提高(gao)具(ju)有促进作(zuo)用(yong)。Wang[83]等(deng)研(yan)究也(ye)发(fa)现对(dui)于近 α 钛(tai)合金管(guan)材，径向(xiang)织构强度(du)的增强对(dui)于(yu){10-10}<11-20>和{10-11}<11-20>滑移系(xi) Schmid 因(yin)子的(de)提(ti)升(sheng)以及(ji)管(guan)材(cai)强(qiang)度(du)的(de)增强起(qi)着至关(guan)重要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。此外，Wang 等(deng)[84]以(yi)具有初始周向微(wei)观织构分(fen)布特征的 Ti-2Al-2.5Zr钛管为(wei)对象(xiang)，对(dui)压扁(bian)过(guo)程(cheng)中管(guan)材不同(tong)变形区域(yu)复(fu)杂(za)应(ying)力(li)状态(tai)与(yu)变形行为(wei)进行(xing)了研(yan)究(jiu)，并揭(jie)示了(le)包括(kuo)柱(zhu)面(mian)和(he)基面(mian)滑移(yi)以(yi)及(ji)拉(la)伸(shen)孪晶(jing)在内的变形机制。Choi 等[85]通过试验发(fa)现锆(gao)合(he)金(jin)管的抗腐(fu)蚀(shi)性(xing)能也取(qu)决(jue)于管(guan)材的(de)织构分布(bu)情况(kuang)，并(bing)且(qie)当径(jing)向织(zhi)构具(ju)有一(yi)定程度的(de)增(zeng)强时，管(guan)材的(de)抗腐蚀(shi)性(xing)能(neng)也(ye)相(xiang)应的(de)增(zeng)强。此(ci)外(wai)，盛(sheng)泽民(min)等[86]利用(yong) XRD 技术(shu)对(dui)轧制钛合(he)金管(guan)材(cai)沿壁(bi)厚方(fang)向不(bu)同位置(zhi)的微(wei)观织(zhi)构进(jin)行(xing)了定(ding)量表征，结果(guo)表(biao)明轧后管材微观织构(gou)强度(du)沿壁(bi)厚方(fang)向呈(cheng)现(xian)出(chu)较为(wei)显(xian)著(zhu)的梯(ti)度(du)变(bian)化特(te)征，并(bing)且(qie)非理想周(zhou)向织(zhi)构(gou)强度分(fen)布(bu)比(bi)例(li)的(de)增大(da)将引(yin)起(qi)管(guan)材(cai) CSR 值(zhi)的(de)下(xia)降。Li 等[87]结合(he)试(shi)验与数值模拟，对比分析(xi)了高强(qiang) TA18 钛管不(bu)同微(wei)观织构(gou)分(fen)布特征对(dui)数控(kong)弯曲成(cheng)形质(zhi)量(liang)的影(ying)响(xiang)，如图 13 所(suo)示，结果表(biao)明(ming)具(ju)有(you)双峰(feng)织构分布特征的管材(cai)相(xiang)比于(yu)近(jin)径向织构和近周向织(zhi)构，包(bao)括壁(bi)厚(hou)减(jian)薄(bao)、截面(mian)畸变(bian)以(yi)及(ji)回(hui)弹(dan)在(zai)内(nei)的弯(wan)曲(qu)成形(xing)指标(biao)均(jun)更为优异。
4、 结(jie)语(yu)与展望(wang)
高(gao)性能(neng)管材(cai)冷轧(ya)全(quan)过程复杂(za)的(de)外部加(jia)载路径、管材(cai)非(fei)线性(xing)力(li)学(xue)响(xiang)应(ying)以(yi)及显著(zhu)的不(bu)均(jun)匀(yun)变(bian)形导(dao)致了(le)管材微观织(zhi)构(gou)演变(bian)规(gui)律(lv)复(fu)杂(za)、难以精(jing)确(que)控制(zhi)，进而严(yan)重影(ying)响管(guan)材(cai)性(xing)能(neng)。目前针(zhen)对(dui)高性能管(guan)材(cai)皮(pi)尔(er)格(ge)冷轧成(cheng)形(xing)过程(cheng)微(wei)观(guan)织(zhi)构预测建(jian)模(mo)、演(yan)变(bian)机(ji)制及调控(kong)方(fang)法(fa)等方面，国(guo)内外学者(zhe)和(he)相关企业已(yi)取得了(le)重要(yao)的进(jin)展(zhan)和(he)成果。其(qi)中(zhong)，基(ji)于有限元(yuan)模(mo)型(xing)和晶体(ti)塑性(xing)模型的(de)单道次冷(leng)轧(ya)宏细(xi)观数(shu)值模(mo)拟(ni)已取得了长足(zu)的发(fa)展，并(bing)且计算效(xiao)率和预(yu)测(ce)精(jing)度也(ye)在(zai)随(sui)着模型的改(gai)进不断(duan)提高(gao)。此外(wai)，在先(xian)进(jin)数(shu)值(zhi)模(mo)拟方(fang)法及(ji)试验表(biao)征(zheng)手段(duan)快(kuai)速(su)发展(zhan)的有利(li)加(jia)持下，对管材(cai)冷轧(ya)全过(guo)程(cheng)不(bu)均(jun)匀(yun)变形(xing)行(xing)为及(ji)整体微(wei)观织(zhi)构(gou)演变规(gui)律(lv)与机制也(ye)有(you)了更(geng)深(shen)入和准(zhun)确(que)的(de)认(ren)识。在(zai)此基(ji)础上(shang)，明(ming)晰了管(guan)材冷轧过程(cheng)包(bao)括(kuo)初(chu)始织构、Q 值、变形(xing)量、孔型参数及(ji)退(tui)火(huo)温度(du)等对(dui)微观(guan)织构演变(bian)的耦(ou)合(he)作(zuo)用(yong)规(gui)律(lv)，建(jian)立(li)了(le)有效(xiao)的(de)微(wei)观(guan)织构(gou)调控(kong)方(fang)法(fa)。但仍然(ran)存在(zai)一定的局限(xian)性和(he)不足，面(mian)临(lin)以下问(wen)题需要(yao)解决：
(1) 目前(qian)关于管(guan)材冷轧(ya)成形(xing)宏观(guan)变形(xing)特征和(he)微观(guan)织(zhi)构演(yan)变数(shu)值(zhi)预(yu)测模(mo)型主(zhu)要(yao)针(zhen)对(dui)于(yu)单(dan)道次冷轧过(guo)程，建(jian)立(li)能(neng)够准确(que)预测(ce)管(guan)材多道(dao)次(ci)冷(leng)轧(ya)全过程的(de)宏(hong)细观数值模型(xing)，有(you)望为深入(ru)探(tan)究冷(leng)轧全(quan)过(guo)程微观(guan)织(zhi)构(gou)演(yan)变机(ji)制(zhi)及其(qi)调控方(fang)法(fa)提供重要(yao)的定(ding)量分(fen)析(xi)手(shou)段。
(2) 当(dang)前对(dui)于管材冷轧(ya)过(guo)程(cheng)织构演(yan)变(bian)与(yu)调(diao)控(kong)的研(yan)究主要考虑(lv)的是(shi)管材(cai)整(zheng)体(ti)织(zhi)构(gou)分(fen)布特(te)征和(he)强度(du)，而冷(leng)轧(ya)过程中(zhong)局部(bu)加(jia)载下壁厚(hou)方(fang)向显(xian)著不均匀变(bian)形(xing)诱导(dao)的(de)变形机(ji)制(zhi)的差别势(shi)必会(hui)引起(qi)梯度(du)织(zhi)构(gou)的(de)形(xing)成，进(jin)一步(bu)明晰(xi)多道(dao)次(ci)冷轧中梯(ti)度织(zhi)构的(de)形(xing)成(cheng)与演(yan)变机(ji)制(zhi)，是实(shi)现织构与(yu)性能稳定控制的(de)基(ji)础(chu)。
(3) 微观织(zhi)构(gou)是引起(qi)管材各向异性(xing)和拉(la)压(ya)非(fei)对称性力学行为(wei)差(cha)异(yi)的关(guan)键因素(su)，进(jin)而(er)影响(xiang)管材的(de)力(li)学(xue)性能、后(hou)续(xu)成(cheng)形性能及疲劳(lao)服役等(deng)性(xing)能。面向管(guan)材综(zong)合性能(neng)协同(tong)提(ti)升目(mu)标(biao)，阐(chan)明微(wei)观织构对管材(cai)性(xing)能影响(xiang)并(bing)建(jian)立(li)关联关系(xi)，为微观织构调(diao)控提供基础和(he)依(yi)据(ju)对(dui)突破管材(cai)全(quan)流(liu)程形(xing)性(xing)一体化设(she)计制造瓶颈(jing)具有重(zhong)要(yao)意(yi)义(yi)。
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