纯钛是应用比较广泛的金属材料,其比钛合金更具生物相容性,在医学等领域应用的前景十分广阔,但其强度低,耐磨性能差,这些缺点使其应用范围在很大程度上受到了限制。因此,开发出一种用来制备高强度纯钛的锻造工艺具有十分重要的理论意义和工程应用价值。本文以工业纯钛TA1为研究对象,通过多向锻造的方法使材料内部晶粒细化以及力学性能提高,并通过分析各因素对晶粒细化和力学性能的影响,逐步改进工艺参数,最终提出了一种比较实用的细晶强化锻造工艺,围绕该工艺对锻后试样的微观组织和力学性能开展了如下一系列研究。1、以细化纯钛的晶粒和提高其力学性能为目的,开展了对纯钛TA1的锻造工艺研究,研究了变形温度、锻造周期、是否淬火、保温时间以及单道次的变形量对其微观组织及力学性能的影响规律,逐步改进锻造工艺,结果表明:工业纯钛TA1在始锻前需要在500℃下保温15min,接着进行3个周期多向锻造,单道次变形量为50%,各道次结束后立即水淬5s,各道次间保温时间为5min,最终可以得到平均晶粒尺寸约为0.3μm的均匀细小等轴晶粒。2、研究了纯钛TA1在多向锻造变形下微观组织的均匀性变化以及组织演变机制,结果表明:通过对经多向锻造处理后各周期试样不同区域进行OM观察,发现试样边缘部位的晶粒细化程度不如芯部;但是随着锻造周期的增加,细晶区逐渐向四周扩展;3个周期后试样边部的晶粒尺寸已经和中心部位很接近,趋于均匀。TEM结果表明经过3个周期锻打后的均匀等轴细晶是连续动态再结晶的结果。3、通过显微硬度等值线图研究了纯钛试样表面的硬度分布,并对硬度均匀性进行了分析,结果表明;(1)尽管存在变形不均匀,但平均显微硬度会随着应变的增加而增加。样品周围边缘观察到的最小显微硬度区域的面积随着多向锻造周期次数的增加而缩减。这些观察定性地表明随着应变的增加,变形均匀性得到很好的改善。(2)显微硬度等值线图显示了在较高应变下变形均匀性得到了较好的改善,为后期应变状态下不均匀性因子(IF)的显著降低进行定量证实。4、研究了超细晶纯钛试样的拉伸性能,结果表明:随着锻造周期的增加,可以观察到纯钛TA1试样的屈服强度、抗拉强度显著提高,当累积塑性应变∑ε=4.5时,屈服强度为锻造前粗晶钛的2.59倍。强度性能的显著改善归因于位错密度的增加和晶粒尺寸减小。5、为了更好的了解材料强度和塑性的变化情况,通过SEM对拉伸断口形貌进行了分析,结果表明:经过多向锻造加工后的1-3周期纯钛TA1拉伸试样断裂时为剪切断裂,宏观断口均与最大拉伸正应力约呈45°角,断裂机制为微孔聚集长大连接机制。总之,本文围绕提出的细晶强化锻造工艺对工业纯钛TA1进行了微观组织和硬度均匀性变化研究,同时也对锻后试样进行了拉伸性能研究;结果表明,随着锻造周期的增加,微观组织以及硬度均匀性逐渐改善,晶粒不断细化,屈服强度和抗拉强度得到显著改善。