學術干貨丨金屬材料中的織構及其對性能的影響
【引言】
通常情況下，金屬材料是由大量的晶粒組成的多晶體。當多晶體的晶粒取向相對于材料宏觀的某一參考面（或方向）集中分布在某一個或某些取向附近的時候，我們稱這種現象為擇優取向（Preferred orientation），而織構就是多晶體的擇優取向。從廣義來看，多晶體中晶粒取向偏離隨機分布的現象都可以稱之為織構。
在金屬材料中，織構現象的存在具有普遍性。外界的溫度場、電磁場、應變場以及晶體內部的各向異性等因素，都可以引起織構，比如形變過程中的晶粒擇優取向是晶體固定的滑移/孿生面和拉伸時產生力矩作用的結果。工業上材料常見有鑄造織構、形變織構、再結晶織構和相變織構等，其中對形變織構和再結晶織構研究得較多。
【織構的表示方法】
（1）晶體取向的描述及織構的常見類型
所謂晶體取向就是指晶體的三個晶軸（如[100]、[010]、[001]軸）在給定參考坐標系（如軋板中的軋向RD、側向TD和法向ND）內的相對方位。在實際描述晶體取向時，因形變條件不同而設定不同的參考系，比如對于最常見的軋制變形，通常設定參考系的三個軸為軋制方向（RD）、軋制面的法向（ND）以及軋板的橫向也就是在軋面上與軋向垂直的方向（TD），假設一個取向表示為(110)[1-12]，就說明此時晶胞的(110)面平行于軋面，[1-12]方向平行于軋向。
織構的類型主要取決于金屬的本質及加工方式等，其中有軋制織構、拉拔織構等。軋制織構是在軋制形變時出現的織構，它的特點是各個晶粒的某一晶面{hkl}平行于軋制面，某一方向<uvw>平行于軋制方向，這樣的軋制織構通常表示為{hkl}<uvw>。而單向拉伸和拉拔變形會使多晶體晶粒的某個方向平行于拉伸或拉拔方向，這樣形成的織構稱為絲織構，也叫做纖維織構，以平行于拉伸或拉拔方向的晶向<uvw>表示。
（2）極圖
極圖是表示被測材料中各晶粒的某一選定晶面{hkl}在包含樣品坐標系方向的極射赤面投影圖上的取向分布圖形，這個圖形就稱作{hkl}極圖。圖1就是Cu-30%Zn合金經96%軋制后的{111}極圖，經過取向分析就可以得知，材料中的織構組分主要是{110}<1-12>織構，也叫做黃銅織構。
圖1 Cu-30%Zn合金經96%軋制后的{111}極圖
（3）反極圖
和極圖相反，反極圖是描述多晶體材料中平行于材料的某一外觀特征方向在晶體坐標系中的空間分布的圖形。參考坐標系的三個軸一般取晶體的三個晶軸或低指數的晶向，對于立方晶系，由于具有24次對稱性，所以只選擇[001]-[101]-[111]的部分進行描述。反極圖一般用于描述絲織構，圖2表示的就是一種熱軋低碳鋼平行于法向ND方向的反極圖，可以看出，材料中存在<111>和<100>絲織構。
圖2 熱軋低碳鋼的ND反極圖
（4）取向分布函數
極圖和反極圖是用二維圖形來描述三維空間的取向分布，它們都有局限性。而采用空間取向g(φ1,Φ,φ2)的分布密度f(g)則可以表達整個空間的取向分布，這稱為空間取向分布函數（ODF）。ODF是根據極圖的極密度分布計算出來的三維圖形，由于用立體圖表示不方便，一般用固定φ2的一組截面來表示，圖3就表示工業純鋁經95%形變量冷軋后的ODF圖。
圖3 工業純鋁經95%形變量冷軋后的ODF圖
【織構對性能的影響】
大量的實驗結果表明，材料的性能20%-50%受織構影響，織構會影響彈性模量、泊松比、強度、韌性、塑性、磁性、電導、線膨脹系數等多種材料的力學性能和物理性能，下面就介紹幾個研究織構對材料性能影響的示例。
人們研究最多的就是織構對材料靜態力學性能的影響，圖4表示的是一種商業鎂合金在攪拌摩擦焊工藝的影響下產生強烈的基面織構，從而材料的不同部位不同方向的拉伸性能就表現出差異。比如以經過摩擦焊（FSP）工藝處理的樣品為例，材料在樣品寬度方向也就是橫向（TD）的拉伸強度要顯著高于加工方向（PD），表現出顯著的各向異性。
圖4 AZ31鎂合金原始軋態及攪拌摩擦焊后不同樣品取向的拉伸性能
織構還會對材料的彈性性能產生影響，圖5表示的是織構對一種金薄膜的彈性模量的影響，圖中的三個圖分別表示的是單晶金在晶體坐標系下、無織構的金薄膜在樣品坐標系下以及含有絲織構的金薄膜在樣品坐標系下的彈性模量參數曲面，可以看出，織構使得材料的彈性模量出現各向異性，沿著材料不同方向的彈性模量表現出顯著差異，材料沿S3方向的彈性模量為118 GPa，要高于S1和S2方向彈性模量的89.7 GPa，而彈性模量的最小值是沿著偏離S3方向約40度的方向，模量值僅為60 GPa。
圖5 織構對一種金薄膜彈性模量的影響
腐蝕行為也受到織構的影響，圖6表示的是商業純鈦在經歷不同次數等通道轉角擠壓變形后的阻抗譜Nyquist圖，經歷變形的次數不同，材料內部的微觀組織以及織構成分也就不同，可以看出，材料在初始狀態未經歷變形（0 pass）時候的抗腐蝕性能較好。
圖6 等通道轉角擠壓對商業純鈦阻抗譜Nyquist圖的影響
材料在動態循環載荷下的疲勞行為同樣受到織構的影響，圖7表示的是一種鎂合金在經過擠壓變形后，不同取向樣品的低周疲勞行為就會不同。可以看出，在總應變幅相同的情況下，材料沿RD方向的疲勞壽命整體上要優于沿ND方向的疲勞壽命。
圖7 織構對材料低周疲勞行為的影響
【小結】
綜上所述，織構的存在在金屬材料中具有普遍性。織構的本質就是許許多多的晶粒沒有按照隨機取向分布，這就自然會導致材料的性能出現各向異性。人們研究織構對材料性能的影響，目的就是為了能夠更好的利用材料中的織構，從而來調控材料的相關性能。
【主要參考文獻】
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本文由材料人編輯部學術干貨組張金睿供稿，材料牛編輯整理。
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