基于體育器械的鈦合金超塑性變形試驗分析

孫超

摘 要：鈦合金作為體育器械中使用較為頻繁的材料，文章對其超塑性變形進行試驗研究。分析不同應(yīng)變速率和變形溫度下合金的顯微組織變化規(guī)律、斷后伸長率等，然后還分析鈦合金的超塑性變形機理。研究結(jié)果表明，合金的斷后伸長率與應(yīng)變速率呈反比關(guān)系，合金的斷后伸長率與應(yīng)變速率呈正比關(guān)系，且合金在任何溫度和速率下，其斷后伸長率都超過100%;當(dāng)應(yīng)變速率下降時，合金中α相尺寸不斷增加，β晶粒由拉長狀變成等軸狀;當(dāng)變形溫度不斷增加時，α相數(shù)量不斷降低，形態(tài)由長條狀變?yōu)榈容S狀或者短棒狀。

關(guān)鍵詞：體育器械;鈦合金;變形試驗

中圖分類號：TG146.23;TS952 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0068-04

Experimental Analysis of Superplastic Deformation of Titanium Alloy Based on Sports Equipment

Sun Chao

（Xi an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi an 710089， China）

Abstract：Titanium alloy is a more frequently used material in sports equipment. The paper conducted an experimental study on its superplastic deformation. Analyze the changes of the microstructure of the alloy at different strain rates and deformation temperatures， elongation after fracture， etc.， and then analyze the superplastic deformation mechanism of the titanium alloy. The results show that the elongation at break of the alloy is inversely proportional to the strain rate， and the elongation at break of the alloy is proportional to the strain rate， and the elongation at break of the alloy exceeds 100% at any temperature and rate; when the strain rate decreases， the size of the α phase in the alloy continues to increase， and the β crystal grains change from elongated shape to equiaxed shape; when the deformation temperature continues to increase， the number of α phases continues to decrease， and the shape changes from elongated to equiaxed or short rod shape.

Key words：sports equipment; titanium alloy; deformation test

鈦合金具有較高的耐腐蝕性，且其強度很高，能夠在體育器械中發(fā)揮重要作用，比如，自行車、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、羽毛球拍等體育器械中已經(jīng)廣泛使用了鋁合金材料，并且具有不錯的應(yīng)用效果[1-2]。隨著我國對體育運動的重視程度不斷提高，于是促進了體育器械的快速發(fā)展，鈦合金作為體育器械中重要材料，受到了研究者熱切關(guān)注和研究[3]。傳統(tǒng)的鈦合金在制作器械過程中成形性較差，所以沖壓成品率較低，為了提高鈦合金在體育器械中的應(yīng)用效果，需要具備高強度、良好的成形性能，還需要有較好的超塑性[4-6]。文章將主要研究鈦合金超塑性，通過分析其相關(guān)的影響因素，比如變形溫度、顯微組織和應(yīng)變速度等，研究這些因素對鈦合金超塑性變形的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗材料和儀器

實驗需要的主要原材料：海綿鈦、Al-V合金、純Fe、高純Al、Ti-Sn合金、純Cr、鈦鉬合金等。

實驗需要的主要儀器：電子萬能拉伸機、保溫箱、冷場發(fā)射掃描電鏡。

1.2 實驗方法

使用真空白耗熔煉法，將原材料制備成一種Ti-3.4Al-4.5Mo-5.5V-2Cr-1.5Sn-0.4Fe合金，下文將主要對該合金進行分析，為了簡單描述，于是將Ti-3.4Al-4.5Mo-5.5V-2Cr-1.5Sn-0.4Fe合金簡稱為合金。

合金鑄錠經(jīng)過去尾、切頭和銑面之后，為了使得合金組織保證其均勻性，高溫鍛造過程中使用多火次鍛造處理方式[7]。該處理方式的主要處理溫度和時間如下：①990℃保溫12min之后進行開坯鍛造;②860℃保溫110min;③770℃保溫90min之后，需要進行兩次反復(fù)墩拔;④第五次鍛造是在770℃環(huán)境中進行，完成之后需要進行精整道楞處理，最后就會得到直徑外80mm的體育器械材料。

然后再對體育器械材料進行高溫拉伸性能測試，實驗的參考規(guī)范為GB/T4338-2006。將保溫箱的溫度進行設(shè)定，然后將試樣放入其中進行保溫5min，然后再對該試樣進行拉伸實驗。該拉伸試樣的為片狀試樣，其長寬分別為40mm和15mm，高溫變形設(shè)置在650～800℃，變形速率設(shè)置為4個，分別為、、、，溫度是每隔50℃就調(diào)整一次。需要使用冷場發(fā)射掃描電鏡對組織進行觀察。還需要使用場發(fā)射掃描電鏡進行電子背散射分析（EBSD）。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 拉伸實驗結(jié)果

圖1即為試樣經(jīng)過高溫拉伸試驗的結(jié)果，從圖中可以看出，保持應(yīng)變速度不變時，斷后伸長率隨著溫度的升高而增長;當(dāng)溫度保持不變時，斷后伸長率的變化趨勢隨著應(yīng)變速率的增加而不斷下降。當(dāng)應(yīng)變速率為時，其斷后伸長率為109%，屬于最小的一個伸長率，于是圖中的每個點的斷后伸長率都超過了100%?？梢缘贸鼋Y(jié)論為合金具表現(xiàn)出來良好的超塑性，另外，應(yīng)變速率和變形溫度對斷后伸長率的影響比較大，即應(yīng)變速率越小時，合金的塑性會增加，變形溫度越高時，合金的塑性會不斷增加。

2.2 掃描電鏡組織結(jié)果

圖2為合金掃描電鏡顯微組織圖，此時的應(yīng)變速率為，溫度處于650～800℃。從圖2中可以看出，合金的組成成分為雙態(tài)組織，包含α相和β相，從圖中能夠觀察到這α相的形狀在不同溫度下表現(xiàn)的不一樣，比如有短棒狀、等軸狀和長條狀;并且α相的體積分數(shù)也會存在差別。當(dāng)溫度不斷升高之后，從圖中可以看出α相的數(shù)量在不斷降低，而且形態(tài)從長條狀變化為等軸狀或者短棒狀。

2.3 電子背散射衍射檢驗結(jié)果

對合金進行電子背散射衍射檢驗，其結(jié)果如圖3所示，此時的應(yīng)變速率為，變形溫度為650℃。從圖3（a）中可以看出，晶體缺陷出的圖像質(zhì)量，其衍射比較深;從圖3（b）中可以看出，有長條狀和近等軸狀的α相，體積分數(shù)大致在45%;從圖3（c）和圖3（d）中可以看出，變形組織中α相的組成結(jié)構(gòu)包含晶粒，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是在溫度比較大，使得α相內(nèi)部發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶狀況，于是就造成了一些亞晶組織生成的緣故[8]。

2.4 相內(nèi)晶界分布結(jié)果

合金變形組織的α相和β相進行進一步檢測，對其晶界分布進行觀察，結(jié)果如圖4所示，且其中的應(yīng)變速率為，變形溫度為650℃。從圖4中可以看出，兩種相同時生成了很多亞晶界。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為α相和β相在高溫變形下其內(nèi)部會存在高密度錯位現(xiàn)象，于是就會出現(xiàn)相互纏結(jié)，然后將其母相進行切割，于是就會形成取向有區(qū)別的亞晶。當(dāng)α相的亞晶形成之后，會因為β相的鍥入，從而造成α相發(fā)生破碎，于是就會使得α相尺寸變小，并且不斷形成等軸α相。

2.5 不同溫度下α相體積分數(shù)的變化結(jié)果

在不同溫度之下研究合金變形組織的電子背散射衍射檢驗表征，測量了α相體積分數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示，此時的應(yīng)變速率為。從圖中可以看出，當(dāng)溫度不斷升高之后，α相體積分數(shù)發(fā)生了非常明顯的變化，從45%下降到3%，正好與上文中對合金進行顯微組織觀察的結(jié)果一種。

2.6 不同應(yīng)變速率下合金的掃描電鏡顯微組織

當(dāng)變形溫度為800℃時，不同應(yīng)變速率下合金的掃描電鏡顯微組織如圖6所示。從圖6中可以看出，在該溫度狀況下，合金變形組織沒有發(fā)生變化，為α相和β相，當(dāng)應(yīng)變速率比較小時，α相沒有明顯朝向排列趨勢，而當(dāng)應(yīng)變速率比較大時，即為和時，具有明顯的沿著變形方向想斷續(xù)排列的形態(tài)。另外，當(dāng)應(yīng)變速率越來越大時，α相的尺寸變化趨勢為不斷降低。這種發(fā)展趨勢是因為合金長時間的處于高溫環(huán)境下，于是就會增加α相的尺寸[9]。而且當(dāng)速率越來越小時，β晶粒的狀態(tài)也在發(fā)生變化，變?yōu)榱说容S狀。

2.7 恒溫恒速下合金變形組織的EBSD實驗結(jié)果

當(dāng)應(yīng)變速率為，變形溫度為800℃時，合金變形組織的EBSD表征如圖7所示。從圖7中可以看出，β晶粒發(fā)生了塑性變形，且其變形沿著流動方向被拉長，從圖7（b）中可以看出，由于相鄰晶粒之間的取向相差比較小，導(dǎo)致其相鄰的顏色也比較相近，如圖中箭頭所示[9]。從圖7（c）中可以看出，相鄰晶粒之間存在小角度晶界，這是亞晶粒發(fā)生滑移造成的。

將上述試樣中的應(yīng)變速率降低到，其他條件都不變，得到如圖8所示的合金變形組織EBSD表征。從圖8中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率降低之后，其中β晶粒大致上全部變?yōu)榈容S狀。相鄰晶粒之間具有相近的顏色分布。當(dāng)應(yīng)變速率降低之后，使得亞晶粒呈現(xiàn)出長大和粗化的變化。

2.8 β相晶界分布結(jié)果

當(dāng)變形溫度為800℃時，研究兩種不同應(yīng)變速率下的β相晶界分布，結(jié)果如圖9所示。從圖9中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率比較大時，即為，β相小角度晶界數(shù)量比較多，且大致57.8%的數(shù)量集中在2° ～15°，其中還存在28%的數(shù)量角度在55°以上。通過觀察右邊一張圖，從圖中可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率降低之后，其β相小角度晶界數(shù)量降低很多，其中只有28%的小角度晶界在2°～15°之間，其余的在數(shù)量分布上大致相當(dāng)。所以小角度數(shù)量占比隨著速率的降低而不斷下降，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為晶界具有更長時間用于變形，于是合金組織就會向等軸化方向發(fā)展。

3 結(jié)語

通過上文體育器械的鈦合金超塑性變形試驗可知，當(dāng)變形溫度保持不變時，合金的斷后伸長率與應(yīng)變速率呈反比關(guān)系，當(dāng)應(yīng)變速率保持不變時，合金的斷后伸長率與應(yīng)變速率呈正比關(guān)系，且合金在任何溫度和速率下，其斷后伸長率都超過100%;當(dāng)應(yīng)變速率下降時，合金中α相尺寸不斷增加，β晶粒有拉長狀變成等軸狀;當(dāng)變形溫度不斷增加時，α相數(shù)量不斷降低，形態(tài)有長條狀變?yōu)榈容S狀或者短棒狀。

參考文獻

[1]常亞輝，劉濤.鈦合金體育器械的表面改性與磨損行為研究[J].鑄造技術(shù)，2016（4）：689-691.

[2]薛海濤，梁樂杰，杜威，等.鈦合金體育器材的低周疲勞行為研究[J].塑性工程學(xué)報，2018，25（06）：298-303.

[3]賈勇，張華.熱處理對體育器械用鈦合金組織與力學(xué)性能的影響[J].熱加工工藝，2017（8）：223-225.

[4]徐剛，魯潔，黃才元.金屬成形（鍛壓）機床的發(fā)展趨勢[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2005（03）：9-12.

[5]張寧.不同熱變形條件下體育器械用鈦合金組織與性能研究[J].熱加工工藝，2016，45（16）：199-202.

[6]張山坡，崔浩瀾.不同熱變形條件下體育器械用TC11合金的組織性能研究[J].鑄造技術(shù)，2015，36（04）：908-910.

[7]De-Ming Huang，Xiong-Fei Yang，Qing-Feng Wei，et al.Causes of surface stripe cracks of Ti–4Al–2V alloy cold-rolled sheet[J].Rare Metals，2014，33（05）：522-526.

[8]史小云，張曉園，毛友川，等.鍛造溫度對TC21鈦合金鍛板組織和力學(xué)性能的影響[J].鍛壓技術(shù)，2015，40（01）：14-16+42.

[9]付明杰，張濤，韓秀全，等.TNW700高溫鈦合金板材超塑變形行為研究[J].稀有金屬，2016，40（01）：1-7.