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。分析不同應變速率和變形溫度下合金的顯微組織變化規律、斷后伸長率等，然后還分析鈦合金的超塑性變形機理。研究結果表明，合金的斷后伸長率與應變速率呈反比關系，合金的斷后伸長率與應變速率呈正比關系，且合金在任何溫度和速率下，其斷后伸長率都超過100%;當應變速率下降時，合金中α相尺寸不斷增加，β晶粒由拉長狀變成等軸狀;當變形溫度不斷增加時，α相數量不斷降低，形態由長條狀變為等軸狀或者短棒狀。

關鍵詞：體育器械;鈦合金;變形試驗

中圖分類號：TG146.23;TS952 文獻標識碼：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揮重要作用，比如，自行車、網球拍、高爾夫球桿、羽毛球拍等體育器械中已經廣泛使用了鋁合金材料，并且具有不錯的應用效果[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展，鈦合金作為體育器械中重要材料，受到了研究者熱切關注和研究[3]。傳統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，通過分析其相關的影響因素，比如變形溫度、顯微組織和應變速度等，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，需要進行兩次反復墩拔;④第五次鍛造是在770℃環境中進行，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，實驗的參考規范為GB/T4338-2006。將保溫箱的溫度進行設定，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，高溫變形設置在650～800℃，變形速率設置為4個，分別為、、、，溫度是每隔50℃就調整一次。需要使用冷場發射掃描電鏡對組織進行觀察。還需要使用場發射掃描電鏡進行電子背散射分析（EBSD）。

2 實驗結果和分析

2.1 拉伸實驗結果

圖1即為試樣經過高溫拉伸試驗的結果，從圖中可以看出，保持應變速度不變時，斷后伸長率隨著溫度的升高而增長;當溫度保持不變時，斷后伸長率的變化趨勢隨著應變速率的增加而不斷下降。當應變速率為時，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%。可以得出結論為合金具表現出來良好的超塑性，另外，應變速率和變形溫度對斷后伸長率的影響比較大，即應變速率越小時，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 掃描電鏡組織結果

圖2為合金掃描電鏡顯微組織圖，此時的應變速率為，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相的體積分數也會存在差別。當溫度不斷升高之后，從圖中可以看出α相的數量在不斷降低，而且形態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果

對合金進行電子背散射衍射檢驗，其結果如圖3所示，此時的應變速率為，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相的組成結構包含晶粒，出現這種現象的原因可能是在溫度比較大，使得α相內部發生動態再結晶狀況，于是就造成了一些亞晶組織生成的緣故[8]。

2.4 相內晶界分布結果

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，結果如圖4所示，且其中的應變速率為，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。出現這種現象是因為α相和β相在高溫變形下其內部會存在高密度錯位現象，于是就會出現相互纏結，然后將其母相進行切割，于是就會形成取向有區別的亞晶。當α相的亞晶形成之后，會因為β相的鍥入，從而造成α相發生破碎，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相體積分數的變化結果

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，統計結果如圖5所示，此時的應變速率為。從圖中可以看出，當溫度不斷升高之后，α相體積分數發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果一種。

2.6 不同應變速率下合金的掃描電鏡顯微組織

當變形溫度為800℃時，不同應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生變化，為α相和β相，當應變速率比較小時，α相沒有明顯朝向排列趨勢，而當應變速率比較大時，即為和時，具有明顯的沿著變形方向想斷續排列的形態。另外，當應變速率越來越大時，α相的尺寸變化趨勢為不斷降低。這種發展趨勢是因為合金長時間的處于高溫環境下，于是就會增加α相的尺寸[9]。而且當速率越來越小時，β晶粒的狀態也在發生變化，變為了等軸狀。

2.7 恒溫恒速下合金變形組織的EBSD實驗結果

當應變速率為，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，這是亞晶粒發生滑移造成的。

將上述試樣中的應變速率降低到，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，當應變速率降低之后，其中β晶粒大致上全部變為等軸狀。相鄰晶粒之間具有相近的顏色分布。當應變速率降低之后，使得亞晶粒呈現出長大和粗化的變化。

2.8 β相晶界分布結果

當變形溫度為800℃時，研究兩種不同應變速率下的β相晶界分布，結果如圖9所示。從圖9中可以看出，當應變速率比較大時，即為，β相小角度晶界數量比較多，且大致57.8%的數量集中在2° ～15°，其中還存在28%的數量角度在55°以上。通過觀察右邊一張圖，從圖中可以看出，當應變速率降低之后，其β相小角度晶界數量降低很多，其中只有28%的小角度晶界在2°～15°之間，其余的在數量分布上大致相當。所以小角度數量占比隨著速率的降低而不斷下降，出現這種現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展。

3 結語

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

參考文獻

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