網(wǎng)球鋁合金拍柄顯微組織與力學性能
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摘要：隨著人類對網(wǎng)球熱衷程度的提高，對網(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性能將會不同，應(yīng)用于網(wǎng)球拍中的效果也會存在差異，于是文章通過實驗研究的方式，研究了鋁合金的顯微組織和力學性能。由于鋁合金性能會受到多方面因素的影響，文章主要對其時效工藝中的時效溫度和時效時間進行分析。研究結(jié)果表明，當時效時間為20h、時效溫度為150℃時，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性能。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)球；鋁合金；顯微組織；力學性能
鋁合金不僅具備密度小的特點，還具有不錯的耐腐蝕性能，由于網(wǎng)球拍需要具備質(zhì)量輕的特點，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網(wǎng)球拍柄的使用效果具有一定的影響，于是對鋁合金性能進行研究具有一定的實用價值。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性能和組織受到熱處理的影響[1]。同樣還有其他學者對其進行研究，只是研究的鋁合金類型不一樣[2-3]。另外，時效工藝也會影響到鋁合金的性能，并且對于這方面的研究比較少，于是本文將從時效工藝方面研究網(wǎng)球鋁合金拍柄的顯微組織和力學性能。林松盛等人對鋁合金進行研究時發(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，將其運用于網(wǎng)球拍柄中具有較好的性能。然而鋁合金的時效工藝會對其性能造成影響，所以為了得到更加優(yōu)質(zhì)的鋁合金，將會其時效工藝對鋁合金顯微組織和力學性能的影響進行研究。另外，時效工藝中包含的因素較多，于是本文將通過實驗研究的方式主要對其時效時間和時效溫度進行分析。
1實驗部分
1.1實驗材料和儀器
實驗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。實驗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、電子萬能試驗機、光譜儀、沖擊試驗機。
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，需要快速的對材料進行在線淬火，選擇的淬火方式為水淬。于是需要將制作好的板材進行切割，切割成多個小樣作為實驗的試樣，試樣的尺寸大小為40cm×20cm×0.4cm。然后再將這些試樣進行實驗研究，研究不同工藝的時效處理對鋁合金的力學性能的影響。表1即為5個試樣中時效工藝參數(shù)。
1.3實驗過程
通過光譜儀對試樣進行測試，檢測其化學成分，其檢測結(jié)果如表1所示。然后再通過顯微鏡對不同工藝時效的試樣進行觀察其顯微組織。再在常溫環(huán)境下使用電子萬能試驗機對試樣進行拉伸性能試驗，對試樣的拉伸方向與擠壓方向是垂直的。當進行拉伸之后，試樣出現(xiàn)斷裂，則使用掃描電子顯微鏡對斷口進行觀察。最后在室溫環(huán)境下，通過使用沖擊試驗機對試樣進行沖擊測試，測試試樣的沖擊性能，缺口的形狀為V型。
2實驗結(jié)果和分析
2.1拉伸性能
2.1.1時效溫度相同的情況當時效溫度相同時，研究時效時間對鋁合金拉伸性能的影響。同樣使用電子萬能試驗機對不同時效時間下的試樣進行拉伸試驗，其中的時效溫度設(shè)置為150℃，最后試驗結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，與第一種情況一樣，試樣的拉伸強度、屈服強度和斷后收縮率的變化趨勢也是先增大后減小，可知當時效時間過程或者過短時都不利于試樣的拉伸性能。從圖中可以看出，拉伸強度、屈服強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種時效時間可得到如下結(jié)論：當時效溫度設(shè)置為150℃、時效時間設(shè)置為20h時，其拉伸性能達到最大。
2.1.2時效時間相同的情況通過使用電子萬能試驗機對不同時效溫度下的試樣進行實驗之后，其檢測結(jié)果如圖2所示。其中設(shè)置的時效時間均相等，都為20h。從圖中可以看出，當時效溫度不同時，拉伸強度、屈服強度和斷后收縮率都會發(fā)生變化，其變化趨勢均為先增大后減小。由于時效溫度只設(shè)置到3種情況，所以能夠大概得到當時效溫度設(shè)置為150℃時，其3種拉伸性能均達到最大值，分別為416MPa、362MPa、19.8%。從而可以得出如下結(jié)論：當時效時間為20h、時效溫度為150℃時，網(wǎng)球鋁合金拍柄的拉伸性能最好。完成拉伸實驗之后，試樣會發(fā)生斷裂情況，于是需要使用掃描電子顯微鏡對斷口出進行觀察，在室溫環(huán)境下的觀察的結(jié)果如圖3所示，其中涉及到的時效時間為20h，時效溫度為150℃，即所測試的試樣為試樣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，每一種試樣的時效工藝不一樣，通過對不同的試樣檢查其平均晶粒尺寸，其檢測結(jié)果如圖4所示，檢測的時效工藝對平均晶粒尺寸的影響。從圖中可以看出，時效時間設(shè)置為20h，當時效溫度越來越高時，其平均晶粒尺寸大小的變化趨勢為先減小后增大。同樣，當時效溫度設(shè)置到150℃，當時效時間不短增加時，試樣的平均晶粒尺寸大小的變化趨勢也是先減小后增大。另外，從圖4中可以看出，試樣的平均晶粒尺寸最小大致為，此時的時效時間為20h和時效溫度為150℃時。對平均晶粒尺寸最小的試樣使用顯微鏡進行觀察，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。于是可以得到在時效時間設(shè)置到20h、時效溫度設(shè)置到150℃時，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間之后，金屬或者合金會出現(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度得以不斷提升[5-6]。本文試驗中在對鋁合金進行時效處理之前，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)。對鋁合金進行力學性能分析時，其中主要受到時效溫度、淬火冷卻速度、時效時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鋁合顯微組織和力學性能的影響，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，對于鋁合金成分一致的情況下，時效時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性能。如果當鋁合金的成分不一樣時，力學性能最好的情況，鋁合金的時效溫度和時效強度就會發(fā)生變化[9-10]。本文的實驗研究結(jié)果為失效溫度控制在150℃時，網(wǎng)球鋁合金的拉伸性能將會更高，當溫度過高或者過低時，其拉伸強度都將會降低。因為如果時效溫度比較低時，時效強化的效果就會非常弱，甚至很難起到效果，于是當溫度不斷升高時，強化效果就會不斷增強，當溫度越來越高時，超過了最佳時效溫度之后，網(wǎng)球鋁合金的晶粒就會越發(fā)的粗，因此其拉伸強度就會大幅度降低。另外，時效時間長短對網(wǎng)球力學性能也有較大的影響。與時效溫度的影響效果一樣，這是因為當時效時間比較短時，時效的強化作用還沒有完成，于是此時的拉伸強度降低，當隨著時效時間的不斷增加，時效的強化作用慢慢變得充分，使得網(wǎng)球拉伸強度達到最大化，當時效時間超過最佳時間之后，就會出現(xiàn)第二相析，軟化程度就會越來越高，于是網(wǎng)球鋁合金的拉伸強度不斷下降[11]。所以通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，時效溫度和時間設(shè)置要合理，不能過高也不能過低，時效溫度大致帶150℃、時效時間大致在20h時，網(wǎng)球鋁合金的力學性能將會更加，當然該值的設(shè)定主要針對的是本文所選定的鋁合金，因為不同的成分的鋁合金，時效時間和時效溫度是不一樣的。
4結(jié)語
通過對網(wǎng)球鋁合金拍柄顯微組織和力學性能的研究，研究結(jié)論為當時效時間或者時效溫度一定時，另外一種時效因素不斷增加的情況下，網(wǎng)球鋁合金的拉伸強度的變化趨勢為先增加后降低，鋁合金平均晶粒尺寸的變化趨勢為先減小后增大；當時效溫度為150℃、時效時間為20h時，文章所研究的鋁合金的力學性能達到最優(yōu)。文章只研究了兩種因素對鋁合金顯微組織和力學性能的影響，當然還存在其他的影響因素，為了能夠更加全面的對網(wǎng)球鋁合金進行分析，在后續(xù)工作中還可以對其他因素進行研究，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。
參考文獻
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作者：定茜 單位：西安醫(yī)學院
