體育輔助性器械用鈦合金組織變形試驗分析

崔英敏

（杭州師范大學體育學院，浙江 杭州 311121）

1 引言

鈦合金強度較高、抗腐蝕性能好，在航空材料、石油開采與醫療領域等都得到了廣泛的應用，尤其是在體育領域中，網球拍桿、羽毛球桿都應用了鈦合金，并取得了較好的應用效果。并且，隨著我國對體育運動的重視程度的提高，促進了體育行業的快速發展，作為體育輔助性器械中的重要材料，受到了各個領域研究者的關注和研究。

現已有較多學者對體育器材中鈦合金進行了應用，但是鈦合金對模型與溫度的要求較高，在不同溫度下與不同阻力下，不出現變形等情況，使現有設備加工鈦合金結構的能力降低。而常對鈦合金研究，會增加設備設計成本和難度，如果使用的分析器材不對，還會影響鈦合金組織變形的分析結果。在鈦合金組織變形中，原始組織形態是影響其變形的主要影響因素，并且還存在其他的影響因素，而當前對其變形分析的方法研究的較少，不能準確分析出鈦合金組織的變形情況。基于當前存在的問題，將TC11鈦合金作為研究對象，分析在不同條件下鈦合金的組織變化情況，達到為體育器械鈦合金的使用提供基礎的目的。

2 實驗方法

2.1 實驗材料

在此次分析中，采用TC11鈦合金作[1]為分析對象，該型號材料具有良好的熱強性和熱加工性能[2]，是一種綜合性能優良的α?β鈦合金。TC11鈦合金成分，如表1所示。

表1 TC11鈦合金成分Tab.1 Composition of TC11 Titanium Alloy

為具體試驗，研究中對TC11鈦合金進行高溫鍛造，保證合金組織的均勻性[3]，主要處理溫度和時間如下所示：

（1）900℃保溫鈦合金并在10min 之后開坯鍛造[4]；（2）850℃下保溫，時間為120min；（3）在進行750℃保溫，時間為9min，并進行兩次反復的墩拔[5]；（4）在750℃下對試樣做第五次鍛造，目的是對鈦合金表面處理為整道楞的形式，在處理后進行下一步應用。

2.2 實驗方法

2.2.1 熱處理工藝

此次實驗中還需要對試樣熱處理，熱處理工藝的步驟如下所示：

（1）普通退火工藝的參數[6]，在900℃下進行1h時，條件為空冷；

（2）雙重退火工藝為950℃下進行1h，并子啊空冷條件下進行1h；

（3）退火工藝參數：溫度在1050℃下進行，并保溫1h，做空冷處理[7]。

2.2.2 高溫壓縮實驗

試驗中預先對實驗材料高溫壓縮[8]，在對其熱處理，在高溫壓縮中，把鈦合金加工成圓柱形試件[9]，在處理中，保證檢測點在試樣的軸向上[10]。整個壓縮實驗都在型號為Gleeble?1500的試驗機上進行，以保證整個實驗的壓縮效果。

使用初期，將壓縮機的初始升溫速率設置為10℃∕s，將其保溫時間設置為30s，通過電偶對壓縮數據采集，在采集后將數據傳輸到實驗系統[11]中，為鈦合金組織變形分析提供基礎。

在處理好后，在900℃、950℃、1000℃、1050℃條件下對實驗對象進行70%的變形[12]。同時，為了保證試樣的高溫組織形態，采用水冷與風冷兩個方式冷卻處理試驗材料。

2.2.3 高溫拉伸實驗

在試樣表面磨好后，在INSTRON?1186 型號的電子試驗機上做拉伸實驗，拉伸實驗中的處理溫度為（800～1000）℃。變形速率設置為4 個，主要包含2.50×10?4s?1、8.30×10?4s?1、2.50×10?3s?1、8.30×10?3s?1，以冷場發射掃描電鏡觀察每隔50℃的溫度變化[13]，獲得準確的高溫拉伸實驗結果。

2.3 組織分析

采用光學顯微鏡分析試樣[14]，顯微鏡型號為OLYMPUS，主要利用其準確了解變形前后鈦合金組織的變化。觀測過程中，試樣觀察方向與壓縮方向保證平行。

2.4 掃描電子顯微鏡分析

用S?3000型電子掃描電鏡對鈦合金的原始形貌、拉伸之后的組織變化情況觀察分析。

在不同溫度下，鈦合金變形情況不同，為更加準確的描述鈦合金變形情況，將掃描電鏡的電壓設置為30kV。并建立塑性流動方程[15]，采用蠕變理論描述他們之間的關系，將計算公式表示為：

式中：n—材料的應力指數；A—材料的常數；Q—試樣的變形參數；R—氣體的變化常數；T—分析時間。

通過上述計算能夠對不同溫度下變形激活能和應力指數，同時不同的熱處理方式對鈦合金的組織性能影響也是不同的，為準確分析，采用下述公式計算其體積分數，計算公式為：

式中：T—溫度，單獨為℃；y—相應的溫度下的α相初始含量；Q—材料的體積百分數；R—相變點變化范圍參數。

同時，不同溫度下材料的變形激活能和應力指數是不同的，為此計算晶粒尺寸與變形速率之間的關系，將計算公式表示為：

式中：ε?—材料應變的速率。通過上述計算為鈦合金組織變形分析提供計算依據。

3 結果與分析

3.1 不同溫度對鈦合金組織變形的影響

3.1.1 鈦合金金相圖像分析

在結果分析上，將在多個方面討論鈦合金組織的變形情況，首先在不同溫度下對鈦合金試樣壓縮，并得到相應的圖像，得到的鈦合金試樣金相照片，如圖1所示。通過上圖1能夠發現，在水冷條件下，隨著溫度的升高，白色α相含量逐漸減少，黑色β相逐漸增多，白色相和黑色相呈現出片狀組織的變化情況。在950℃時，出現了拉長變形的情況。空氣冷卻時，白色α相隨溫度的升高而逐漸增加，而黑色β相則逐漸減少，呈現出一種將要在融合一起的形態，二者的變換也呈現出了雙態性、片狀等的變化趨勢。

圖1 金相圖像Fig.1 Gold?Phase Image

3.1.2 熱處理方式對試樣組織的影響

壓縮試樣主要在900℃、950℃、1000℃、1050℃下進行，在壓縮后，冷卻試樣，冷卻處理后，對試樣做雙重退火處理，觀察組織的變化情況。其中，950℃壓縮熱處理后對鈦合金試樣組織的影響，如圖2所示。從圖中可以看出，經過雙重退火處理后，組織呈等軸組織，組織形成比較均勻，總體上說，熱處理后組織均勻度有所提高。試樣在1050℃下壓縮與熱處理后的組織變化情況，如圖3所示。經過上圖可知，雙重退火生成的片層組織較厚，晶界變寬，呈現出一種斷續狀，與950℃下差距較大。

圖2 950℃壓縮熱處理后對鈦合金試樣組織的影響Fig.2 950℃Effect of the Sample Tissue After Compressed HeatTreatment on the Titanium Alloy

圖3 1050℃壓縮后試樣組織形態Fig.3 Microstructure of Sample Compressed at 1050℃

3.1.3 鈦合金試樣力學性能分析

此分析中，先對試樣在不同溫度下做壓縮處理，試樣力學性能分析，如圖4所示。通過分析上圖能夠發現，在溫度升高后，試樣的抗拉強度逐漸提高。延展性在1000℃時最好，好于溫度為950℃和1050℃。原因是，在1000℃時，白色α相與黑色β相共存，表現為雙態組織，從而具有更高的塑性。

圖4 試樣力學性能分析Fig.4 Mechanical Performance Analysis of the Test Samples

由此可以看出，鈦合金經過壓縮熱處理后，材料的強度有所提高，塑性有所下降。

3.1.4 α相體積分數變化情況分析

在不同溫度下處理試樣，試樣α相體積分數變化情況，如圖5所示。通過分析上圖5可知，在溫度逐漸升高后，α相體積分數變化非常明顯，呈現出逐漸降低的趨勢，與上述圖像中得到的結果相同。

圖5 試樣α相體積分數變化情況Fig.5 Change of Sample α Phase Volume Fraction

3.2 應變速率對鈦合金組織變形的影響

3.2.1 相內晶界分布結果

在應變速率為2.50×10?4s?1下進行此次分析，對鈦合金組織中的α相、β相檢測，相內晶界分布結果，如圖6所示。

圖6 相內晶界分布結果Fig.6 Within?Phase Crystal Boundary Distribution Results

通過分析上圖可知，α相、β相同時生成很多亞晶界，原因是，在高溫下，α相、β相內部會出現高密度錯位現象，從而出現糾纏的情況。

3.2.2 不同情況下鈦合金斷后伸長率的變化趨勢

下圖為，在不同情況下，試樣斷后伸長率變化，如圖7所示。分析上圖可知，溫度增加后，材料伸長率隨之增加，在溫度固定，應變速率不發生變化時，試樣的伸長率是逐漸下降的。但是兩種情況下，鈦合金的斷后伸長率都超過100%。

圖7 試樣斷后伸長率變化Fig.7 Changes in the Elongation Rate After the Sample Break

3.2.3 鈦合金在下文不同應變率下的電鏡顯微結構組織

此部分主要對鈦合金的顯微組織分析，為增加對比性，不同應變速率下鈦合金的組織結構，如圖8所示。

圖8 不同應變速率下鈦合金的組織結構Fig.8 Tstructure of Titanium Alloys at Different Strain Rates

從上圖中能夠看出，在應變速率為8.30×10?3s?1時，α相排列趨勢不明顯，當應變速率提高為2.50×10?4s?1、8.30×10?4s?1時，α相尺寸為不斷降低，產生這種現象的原因是受到高溫的影響，從而增加了α相的尺寸。

3.2.4 不同應變速率下β相分布結果

此次分析在溫度為900℃時進行，不同應變速率下β相分布結果，如圖9所示。

圖9 不同應變速率下β相分布結果Fig.9 Results of the β Phase Distribution at Different Strain Rates

分析上圖可知，在應變速率較大時，即2.50×10?3s?1時，β相數量多，當應變速率降低后，即2.50×10?4s?1時，β相有所減小，并且下降較多，其原因是由于鈦合金晶界長期變形，組織將向等軸化方向發展。以此通過上述過程，完成體育輔助性器械鈦合金組織變形的試驗分析。

4 結束語

提出實驗材料與實驗方法對體育輔助性器械用鈦合金組織變形情況進行了試驗分析，并得到了相應的結果。通過上述結果能夠得到以下結論：

（1）溫度越高，α相體積分數變化非常明顯，呈現出逐漸降低的趨勢；（2）在1000℃下，鈦合金塑性與強度最為優越，綜合力學性能最強，呈現出一種雙態結構形式；（3）在應變速率不發生改變時，延伸率與應變速率成正比關系；（4）當應變速率降低后，β相小角度的晶界數量逐漸降低。

上述為此次研究得到的重要鈦合金組織形變試驗分析結果，希望通過此次研究能夠為體育輔助性器械設計提供一定的幫助。但是實際環境中影響因素較多，在后續研究中，還需要做進一步研究，及時發現不足之處，提高體育輔助性器械使用效果。