網(wǎng)球鋁合金拍柄顯微組織與力學(xué)性能

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摘要：隨著人類對(duì)網(wǎng)球熱衷程度的提高，對(duì)網(wǎng)球的性能提出了更高的要求，于是制作高端網(wǎng)球拍顯得相當(dāng)重要。鋁合金的性能較好，其密度較小、具有很較好的耐腐蝕性，將其應(yīng)用于高端網(wǎng)球拍中比較合適，能夠提高網(wǎng)球拍的應(yīng)用效果和舒適感。不同的鋁合金具備的顯微組織和力學(xué)性能將會(huì)不同，應(yīng)用于網(wǎng)球拍中的效果也會(huì)存在差異，于是文章通過實(shí)驗(yàn)研究的方式，研究了鋁合金的顯微組織和力學(xué)性能。由于鋁合金性能會(huì)受到多方面因素的影響，文章主要對(duì)其時(shí)效工藝中的時(shí)效溫度和時(shí)效時(shí)間進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)效時(shí)間為20h、時(shí)效溫度為150℃時(shí)，鋁合金的平均晶粒尺寸最小、顯微組織比較均勻，并且具備良好的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)球；鋁合金；顯微組織；力學(xué)性能

鋁合金不僅具備密度小的特點(diǎn)，還具有不錯(cuò)的耐腐蝕性能，由于網(wǎng)球拍需要具備質(zhì)量輕的特點(diǎn)，將鋁合金應(yīng)用其中可以發(fā)揮較好的應(yīng)用效果，并且鋁合金的性能對(duì)網(wǎng)球拍柄的使用效果具有一定的影響，于是對(duì)鋁合金性能進(jìn)行研究具有一定的實(shí)用價(jià)值。然而鋁合金的性能受到很多因素的影響，比如常見的熱處理工藝和其組成成分等，付佳等人就研究了鋁合金的力學(xué)性能和組織受到熱處理的影響[1]。同樣還有其他學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，只是研究的鋁合金類型不一樣[2-3]。另外，時(shí)效工藝也會(huì)影響到鋁合金的性能，并且對(duì)于這方面的研究比較少，于是本文將從時(shí)效工藝方面研究網(wǎng)球鋁合金拍柄的顯微組織和力學(xué)性能。林松盛等人對(duì)鋁合金進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)銦能夠提高其性能[4]。于是為了增加鋁合金的性能，在Al-Mg-Zn鋁合金的基礎(chǔ)上加入元素In，于是可以變成Al-Mg-Zn-In鋁合金，將其運(yùn)用于網(wǎng)球拍柄中具有較好的性能。然而鋁合金的時(shí)效工藝會(huì)對(duì)其性能造成影響，所以為了得到更加優(yōu)質(zhì)的鋁合金，將會(huì)其時(shí)效工藝對(duì)鋁合金顯微組織和力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究。另外，時(shí)效工藝中包含的因素較多，于是本文將通過實(shí)驗(yàn)研究的方式主要對(duì)其時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度進(jìn)行分析。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器

實(shí)驗(yàn)所需要的材料主要為Al-Mg-Zn新型網(wǎng)球拍鋁合金擠壓板材。實(shí)驗(yàn)過程中需要使用到的儀器主要為金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、電子萬能試驗(yàn)機(jī)、光譜儀、沖擊試驗(yàn)機(jī)。

1.2試樣的制作

在板材的制作過程中，其中涉及到的相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：擠壓速度為3mm/min，擠壓溫度為490℃。材料的擠壓完成之后，需要快速的對(duì)材料進(jìn)行在線淬火，選擇的淬火方式為水淬。于是需要將制作好的板材進(jìn)行切割，切割成多個(gè)小樣作為實(shí)驗(yàn)的試樣，試樣的尺寸大小為40cm×20cm×0.4cm。然后再將這些試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究不同工藝的時(shí)效處理對(duì)鋁合金的力學(xué)性能的影響。表1即為5個(gè)試樣中時(shí)效工藝參數(shù)。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

通過光譜儀對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)其化學(xué)成分，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。然后再通過顯微鏡對(duì)不同工藝時(shí)效的試樣進(jìn)行觀察其顯微組織。再在常溫環(huán)境下使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，對(duì)試樣的拉伸方向與擠壓方向是垂直的。當(dāng)進(jìn)行拉伸之后，試樣出現(xiàn)斷裂，則使用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行觀察。最后在室溫環(huán)境下，通過使用沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行沖擊測(cè)試，測(cè)試試樣的沖擊性能，缺口的形狀為V型。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1拉伸性能

2.1.1時(shí)效溫度相同的情況當(dāng)時(shí)效溫度相同時(shí)，研究時(shí)效時(shí)間對(duì)鋁合金拉伸性能的影響。同樣使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同時(shí)效時(shí)間下的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其中的時(shí)效溫度設(shè)置為150℃，最后試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，與第一種情況一樣，試樣的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后收縮率的變化趨勢(shì)也是先增大后減小，可知當(dāng)時(shí)效時(shí)間過程或者過短時(shí)都不利于試樣的拉伸性能。從圖中可以看出，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后收縮率的最大值分別為416MPa、362MPa、19.8%。于是通過設(shè)置的3種時(shí)效時(shí)間可得到如下結(jié)論：當(dāng)時(shí)效溫度設(shè)置為150℃、時(shí)效時(shí)間設(shè)置為20h時(shí)，其拉伸性能達(dá)到最大。

2.1.2時(shí)效時(shí)間相同的情況通過使用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同時(shí)效溫度下的試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，其檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。其中設(shè)置的時(shí)效時(shí)間均相等，都為20h。從圖中可以看出，當(dāng)時(shí)效溫度不同時(shí)，拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后收縮率都會(huì)發(fā)生變化，其變化趨勢(shì)均為先增大后減小。由于時(shí)效溫度只設(shè)置到3種情況，所以能夠大概得到當(dāng)時(shí)效溫度設(shè)置為150℃時(shí)，其3種拉伸性能均達(dá)到最大值，分別為416MPa、362MPa、19.8%。從而可以得出如下結(jié)論：當(dāng)時(shí)效時(shí)間為20h、時(shí)效溫度為150℃時(shí)，網(wǎng)球鋁合金拍柄的拉伸性能最好。完成拉伸實(shí)驗(yàn)之后，試樣會(huì)發(fā)生斷裂情況，于是需要使用掃描電子顯微鏡對(duì)斷口出進(jìn)行觀察，在室溫環(huán)境下的觀察的結(jié)果如圖3所示，其中涉及到的時(shí)效時(shí)間為20h，時(shí)效溫度為150℃，即所測(cè)試的試樣為試樣2。從圖中可以看出，鋁合金斷口面包含著比較少的撕裂棱和較多的細(xì)小韌窩，所以鋁合金的斷裂方式為韌性斷裂。從而可以得到在該情況下，新型鋁合金的斷裂方式為韌性斷裂。

2.2顯微組織

本文所研究的試樣中，每一種試樣的時(shí)效工藝不一樣，通過對(duì)不同的試樣檢查其平均晶粒尺寸，其檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，檢測(cè)的時(shí)效工藝對(duì)平均晶粒尺寸的影響。從圖中可以看出，時(shí)效時(shí)間設(shè)置為20h，當(dāng)時(shí)效溫度越來越高時(shí)，其平均晶粒尺寸大小的變化趨勢(shì)為先減小后增大。同樣，當(dāng)時(shí)效溫度設(shè)置到150℃，當(dāng)時(shí)效時(shí)間不短增加時(shí)，試樣的平均晶粒尺寸大小的變化趨勢(shì)也是先減小后增大。另外，從圖4中可以看出，試樣的平均晶粒尺寸最小大致為，此時(shí)的時(shí)效時(shí)間為20h和時(shí)效溫度為150℃時(shí)。對(duì)平均晶粒尺寸最小的試樣使用顯微鏡進(jìn)行觀察，得到其顯微組織照片如圖5所示，從圖5中可以看出，其晶粒比較小，并且組織比較均勻。于是可以得到在時(shí)效時(shí)間設(shè)置到20h、時(shí)效溫度設(shè)置到150℃時(shí)，網(wǎng)球鋁合金拍柄顯微組織比較好，應(yīng)用于網(wǎng)球中能夠具備較好的性能。

3討論與分析

時(shí)效的含義為在一定的溫度條件下，合金或者金屬保持一端時(shí)間之后，金屬或者合金會(huì)出現(xiàn)晶格沉淀現(xiàn)象和過飽和固溶體脫落現(xiàn)象，從而使得金屬或者合金的強(qiáng)度得以不斷提升[5-6]。本文試驗(yàn)中在對(duì)鋁合金進(jìn)行時(shí)效處理之前，就通過在線淬火得到飽和單相組織。然后使用水淬使之快速冷卻，從而得到固溶體，整個(gè)溶質(zhì)原子和空位都是過飽和狀態(tài)，即使之處于雙重過飽和狀態(tài)。對(duì)鋁合金進(jìn)行力學(xué)性能分析時(shí)，其中主要受到時(shí)效溫度、淬火冷卻速度、時(shí)效時(shí)間和猝火溫度等的影響[7-8]。本文所研究的網(wǎng)球鋁合金主要研究了其中兩種影響因素對(duì)鋁合顯微組織和力學(xué)性能的影響，于是將其他的所有因素設(shè)置為恒定值。從上文的分析來看，對(duì)于鋁合金成分一致的情況下，時(shí)效時(shí)間和溫度之間是存在一定的聯(lián)系，共同決定著鋁合金顯微組織和力學(xué)性能。如果當(dāng)鋁合金的成分不一樣時(shí)，力學(xué)性能最好的情況，鋁合金的時(shí)效溫度和時(shí)效強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化[9-10]。本文的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為失效溫度控制在150℃時(shí)，網(wǎng)球鋁合金的拉伸性能將會(huì)更高，當(dāng)溫度過高或者過低時(shí)，其拉伸強(qiáng)度都將會(huì)降低。因?yàn)槿绻麜r(shí)效溫度比較低時(shí)，時(shí)效強(qiáng)化的效果就會(huì)非常弱，甚至很難起到效果，于是當(dāng)溫度不斷升高時(shí)，強(qiáng)化效果就會(huì)不斷增強(qiáng)，當(dāng)溫度越來越高時(shí)，超過了最佳時(shí)效溫度之后，網(wǎng)球鋁合金的晶粒就會(huì)越發(fā)的粗，因此其拉伸強(qiáng)度就會(huì)大幅度降低。另外，時(shí)效時(shí)間長短對(duì)網(wǎng)球力學(xué)性能也有較大的影響。與時(shí)效溫度的影響效果一樣，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)效時(shí)間比較短時(shí)，時(shí)效的強(qiáng)化作用還沒有完成，于是此時(shí)的拉伸強(qiáng)度降低，當(dāng)隨著時(shí)效時(shí)間的不斷增加，時(shí)效的強(qiáng)化作用慢慢變得充分，使得網(wǎng)球拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大化，當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過最佳時(shí)間之后，就會(huì)出現(xiàn)第二相析，軟化程度就會(huì)越來越高，于是網(wǎng)球鋁合金的拉伸強(qiáng)度不斷下降[11]。所以通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)效溫度和時(shí)間設(shè)置要合理，不能過高也不能過低，時(shí)效溫度大致帶150℃、時(shí)效時(shí)間大致在20h時(shí)，網(wǎng)球鋁合金的力學(xué)性能將會(huì)更加，當(dāng)然該值的設(shè)定主要針對(duì)的是本文所選定的鋁合金，因?yàn)椴煌某煞值匿X合金，時(shí)效時(shí)間和時(shí)效溫度是不一樣的。

4結(jié)語

通過對(duì)網(wǎng)球鋁合金拍柄顯微組織和力學(xué)性能的研究，研究結(jié)論為當(dāng)時(shí)效時(shí)間或者時(shí)效溫度一定時(shí)，另外一種時(shí)效因素不斷增加的情況下，網(wǎng)球鋁合金的拉伸強(qiáng)度的變化趨勢(shì)為先增加后降低，鋁合金平均晶粒尺寸的變化趨勢(shì)為先減小后增大；當(dāng)時(shí)效溫度為150℃、時(shí)效時(shí)間為20h時(shí)，文章所研究的鋁合金的力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。文章只研究了兩種因素對(duì)鋁合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，當(dāng)然還存在其他的影響因素，為了能夠更加全面的對(duì)網(wǎng)球鋁合金進(jìn)行分析，在后續(xù)工作中還可以對(duì)其他因素進(jìn)行研究，從而更加了解網(wǎng)球鋁合金的性能，從而有助于鋁合金在網(wǎng)球中應(yīng)用效果。

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作者：定茜 單位：西安醫(yī)學(xué)院