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摘 要：钛合金作为体育器械中使用较为频繁的材料，文章对其超塑性变形进行试验研究。分析不同应变速率和变形温度下合金的显微组织变化规律、断后伸长率等，然后还分析钛合金的超塑性变形机理。研究结果表明，合金的断后伸长率与应变速率呈反比关系，合金的断后伸长率与应变速率呈正比关系，且合金在任何温度和速率下，其断后伸长率都超过100%;当应变速率下降时，合金中α相尺寸不断增加，β晶粒由拉长状变成等轴状;当变形温度不断增加时，α相数量不断降低，形态由长条状变为等轴状或者短棒状。
关键词：体育器械;钛合金;变形试验
中图分类号：TG146.23;TS952 文献标识码：A 文章编号：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
鈦合金具有较高的耐腐蚀性，且其强度很高，能够在体育器械中发挥重要作用，比如，自行车、网球拍、高尔夫球杆、羽毛球拍等体育器械中已经广泛使用了铝合金材料，并且具有不错的应用效果[1-2]。随着我国对体育运动的重视程度不断提高，于是促进了体育器械的快速发展，钛合金作为体育器械中重要材料，受到了研究者热切关注和研究[3]。传统的钛合金在制作器械过程中成形性较差，所以冲压成品率较低，为了提高钛合金在体育器械中的应用效果，需要具备高强度、良好的成形性能，还需要有较好的超塑性[4-6]。文章将主要研究钛合金超塑性，通过分析其相关的影响因素，比如变形温度、显微组织和应变速度等，研究这些因素对钛合金超塑性变形的影响。
1 实验过程
1.1 实验材料和仪器
实验需要的主要原材料：海绵钛、Al-V合金、纯Fe、高纯Al、Ti-Sn合金、纯Cr、钛钼合金等。
实验需要的主要仪器：电子万能拉伸机、保温箱、冷场发射扫描电镜。
1.2 实验方法
使用真空白耗熔炼法，将原材料制备成一种Ti-3.4Al-4.5Mo-5.5V-2Cr-1.5Sn-0.4Fe合金，下文将主要对该合金进行分析，为了简单描述，于是将Ti-3.4Al-4.5Mo-5.5V-2Cr-1.5Sn-0.4Fe合金简称为合金。
合金铸锭经过去尾、切头和铣面之后，为了使得合金组织保证其均匀性，高温锻造过程中使用多火次锻造处理方式[7]。该处理方式的主要处理温度和时间如下：①990℃保温12min之后进行开坯锻造;②860℃保温110min;③770℃保温90min之后，需要进行两次反复墩拔;④第五次锻造是在770℃环境中进行，完成之后需要进行精整道楞处理，最后就会得到直径外80mm的体育器械材料。
然后再对体育器械材料进行高温拉伸性能测试，实验的参考规范为GB/T4338-2006。将保温箱的温度进行设定，然后将试样放入其中进行保温5min，然后再对该试样进行拉伸实验。该拉伸试样的为片状试样，其长宽分别为40mm和15mm，高温变形设置在650～800℃，变形速率设置为4个，分别为、、、，温度是每隔50℃就调整一次。需要使用冷场发射扫描电镜对组织进行观察。还需要使用场发射扫描电镜进行电子背散射分析（EBSD）。 2 实验结果和分析
2.1 拉伸实验结果
图1即为试样经过高温拉伸试验的结果，从图中可以看出，保持应变速度不变时，断后伸长率随着温度的升高而增长;当温度保持不变时，断后伸长率的變化趋势随着应变速率的增加而不断下降。当应变速率为时，其断后伸长率为109%，属于最小的一个伸长率，于是图中的每个点的断后伸长率都超过了100%。可以得出结论为合金具表现出来良好的超塑性，另外，应变速率和变形温度对断后伸长率的影响比较大，即应变速率越小时，合金的塑性会增加，变形温度越高时，合金的塑性会不断增加。
2.2 扫描电镜组织结果
图2为合金扫描电镜显微组织图，此时的应变速率为，温度处于650～800℃。从图2中可以看出，合金的组成成分为双态组织，包含α相和β相，从图中能够观察到这α相的形状在不同温度下表现的不一样，比如有短棒状、等轴状和长条状;并且α相的体积分数也会存在差别。当温度不断升高之后，从图中可以看出α相的数量在不断降低，而且形态从长条状变化为等轴状或者短棒状。
2.3 电子背散射衍射检验结果
对合金进行电子背散射衍射检验，其结果如图3所示，此时的应变速率为，变形温度为650℃。从图3（a）中可以看出，晶体缺陷出的图像质量，其衍射比较深;从图3（b）中可以看出，有长条状和近等轴状的α相，体积分数大致在45%;从图3（c）和图3（d）中可以看出，变形组织中α相的组成结构包含晶粒，出现这种现象的原因可能是在温度比较大，使得α相内部发生动态再结晶状况，于是就造成了一些亚晶组织生成的缘故[8]。
2.4 相内晶界分布结果
合金变形组织的α相和β相进行进一步检测，对其晶界分布进行观察，结果如图4所示，且其中的应变速率为，变形温度为650℃。从图4中可以看出，两种相同时生成了很多亚晶界。出现这种现象是因为α相和β相在高温变形下其内部会存在高密度错位现象，于是就会出现相互缠结，然后将其母相进行切割，于是就会形成取向有区别的亚晶。当α相的亚晶形成之后，会因为β相的锲入，从而造成α相发生破碎，于是就会使得α相尺寸变小，并且不断形成等轴α相。
2.5 不同温度下α相体积分数的变化结果
在不同温度之下研究合金变形组织的电子背散射衍射检验表征，测量了α相体积分数，统计结果如图5所示，此时的应变速率为。从图中可以看出，当温度不断升高之后，α相体积分数发生了非常明显的变化，从45%下降到3%，正好与上文中对合金进行显微组织观察的结果一种。
2.6 不同应变速率下合金的扫描电镜显微组织
当变形温度为800℃时，不同应变速率下合金的扫描电镜显微组织如图6所示。从图6中可以看出，在该温度状况下，合金变形组织没有发生变化，为α相和β相，当应变速率比较小时，α相没有明显朝向排列趋势，而当应变速率比较大时，即为和时，具有明显的沿着变形方向想断续排列的形态。另外，当应变速率越来越大时，α相的尺寸变化趋势为不断降低。这种发展趋势是因为合金长时间的处于高温环境下，于是就会增加α相的尺寸[9]。而且当速率越来越小时，β晶粒的状态也在发生变化，变为了等轴状。
2.7 恒温恒速下合金变形组织的EBSD实验结果
当应变速率为，变形温度为800℃时，合金变形组织的EBSD表征如图7所示。从图7中可以看出，β晶粒发生了塑性变形，且其变形沿着流动方向被拉长，从图7（b）中可以看出，由于相邻晶粒之间的取向相差比较小，导致其相邻的颜色也比较相近，如图中箭头所示[9]。从图7（c）中可以看出，相邻晶粒之间存在小角度晶界，这是亚晶粒发生滑移造成的。
将上述试样中的应变速率降低到，其他条件都不变，得到如图8所示的合金变形组织EBSD表征。从图8中可以看出，当应变速率降低之后，其中β晶粒大致上全部变为等轴状。相邻晶粒之间具有相近的颜色分布。当应变速率降低之后，使得亚晶粒呈现出长大和粗化的变化。
2.8 β相晶界分布结果
当变形温度为800℃时，研究两种不同应变速率下的β相晶界分布，结果如图9所示。从图9中可以看出，当应变速率比较大时，即为，β相小角度晶界数量比较多，且大致57.8%的数量集中在2° ～15°，其中还存在28%的数量角度在55°以上。通过观察右边一张图，从图中可以看出，当应变速率降低之后，其β相小角度晶界数量降低很多，其中只有28%的小角度晶界在2°～15°之间，其余的在数量分布上大致相当。所以小角度数量占比随着速率的降低而不断下降，出现这种现象是因为晶界具有更长时间用于变形，于是合金组织就会向等轴化方向发展。
3 结语
通过上文体育器械的钛合金超塑性变形试验可知，当变形温度保持不变时，合金的断后伸长率与应变速率呈反比关系，当应变速率保持不变时，合金的断后伸长率与应变速率呈正比关系，且合金在任何温度和速率下，其断后伸长率都超过100%;当应变速率下降时，合金中α相尺寸不断增加，β晶粒有拉长状变成等轴状;当变形温度不断增加时，α相数量不断降低，形态有长条状变为等轴状或者短棒状。
参考文献
[1]常亚辉，刘涛.钛合金体育器械的表面改性与磨损行为研究[J].铸造技术，2016（4）：689-691.
[2]薛海涛，梁乐杰，杜威，等.钛合金体育器材的低周疲劳行为研究[J].塑性工程学报，2018，25（06）：298-303.
[3]贾勇，张华.热处理对体育器械用钛合金组织与力学性能的影响[J].热加工工艺，2017（8）：223-225.
[4]徐刚，鲁洁，黄才元.金属成形（锻压）机床的发展趋势[J].锻压装备与制造技术，2005（03）：9-12.
[5]张宁.不同热变形条件下体育器械用钛合金组织与性能研究[J].热加工工艺，2016，45（16）：199-202.
[6]张山坡，崔浩澜.不同热变形条件下体育器械用TC11合金的组织性能研究[J].铸造技术，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，张晓园，毛友川，等.锻造温度对TC21钛合金锻板组织和力学性能的影响[J].锻压技术，2015，40（01）：14-16+42.
[9]付明杰，张涛，韩秀全，等.TNW700高温钛合金板材超塑变形行为研究[J].稀有金属，2016，40（01）：1-7.
关键词：体育器械;钛合金;变形试验
中图分类号：TG146.23;TS952 文献标识码：A 文章编号：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
鈦合金具有较高的耐腐蚀性，且其强度很高，能够在体育器械中发挥重要作用，比如，自行车、网球拍、高尔夫球杆、羽毛球拍等体育器械中已经广泛使用了铝合金材料，并且具有不错的应用效果[1-2]。随着我国对体育运动的重视程度不断提高，于是促进了体育器械的快速发展，钛合金作为体育器械中重要材料，受到了研究者热切关注和研究[3]。传统的钛合金在制作器械过程中成形性较差，所以冲压成品率较低，为了提高钛合金在体育器械中的应用效果，需要具备高强度、良好的成形性能，还需要有较好的超塑性[4-6]。文章将主要研究钛合金超塑性，通过分析其相关的影响因素，比如变形温度、显微组织和应变速度等，研究这些因素对钛合金超塑性变形的影响。
1 实验过程
1.1 实验材料和仪器
实验需要的主要原材料：海绵钛、Al-V合金、纯Fe、高纯Al、Ti-Sn合金、纯Cr、钛钼合金等。
实验需要的主要仪器：电子万能拉伸机、保温箱、冷场发射扫描电镜。
1.2 实验方法
使用真空白耗熔炼法，将原材料制备成一种Ti-3.4Al-4.5Mo-5.5V-2Cr-1.5Sn-0.4Fe合金，下文将主要对该合金进行分析，为了简单描述，于是将Ti-3.4Al-4.5Mo-5.5V-2Cr-1.5Sn-0.4Fe合金简称为合金。
合金铸锭经过去尾、切头和铣面之后，为了使得合金组织保证其均匀性，高温锻造过程中使用多火次锻造处理方式[7]。该处理方式的主要处理温度和时间如下：①990℃保温12min之后进行开坯锻造;②860℃保温110min;③770℃保温90min之后，需要进行两次反复墩拔;④第五次锻造是在770℃环境中进行，完成之后需要进行精整道楞处理，最后就会得到直径外80mm的体育器械材料。
然后再对体育器械材料进行高温拉伸性能测试，实验的参考规范为GB/T4338-2006。将保温箱的温度进行设定，然后将试样放入其中进行保温5min，然后再对该试样进行拉伸实验。该拉伸试样的为片状试样，其长宽分别为40mm和15mm，高温变形设置在650～800℃，变形速率设置为4个，分别为、、、，温度是每隔50℃就调整一次。需要使用冷场发射扫描电镜对组织进行观察。还需要使用场发射扫描电镜进行电子背散射分析（EBSD）。 2 实验结果和分析
2.1 拉伸实验结果
图1即为试样经过高温拉伸试验的结果，从图中可以看出，保持应变速度不变时，断后伸长率随着温度的升高而增长;当温度保持不变时，断后伸长率的變化趋势随着应变速率的增加而不断下降。当应变速率为时，其断后伸长率为109%，属于最小的一个伸长率，于是图中的每个点的断后伸长率都超过了100%。可以得出结论为合金具表现出来良好的超塑性，另外，应变速率和变形温度对断后伸长率的影响比较大，即应变速率越小时，合金的塑性会增加，变形温度越高时，合金的塑性会不断增加。
2.2 扫描电镜组织结果
图2为合金扫描电镜显微组织图，此时的应变速率为，温度处于650～800℃。从图2中可以看出，合金的组成成分为双态组织，包含α相和β相，从图中能够观察到这α相的形状在不同温度下表现的不一样，比如有短棒状、等轴状和长条状;并且α相的体积分数也会存在差别。当温度不断升高之后，从图中可以看出α相的数量在不断降低，而且形态从长条状变化为等轴状或者短棒状。
2.3 电子背散射衍射检验结果
对合金进行电子背散射衍射检验，其结果如图3所示，此时的应变速率为，变形温度为650℃。从图3（a）中可以看出，晶体缺陷出的图像质量，其衍射比较深;从图3（b）中可以看出，有长条状和近等轴状的α相，体积分数大致在45%;从图3（c）和图3（d）中可以看出，变形组织中α相的组成结构包含晶粒，出现这种现象的原因可能是在温度比较大，使得α相内部发生动态再结晶状况，于是就造成了一些亚晶组织生成的缘故[8]。
2.4 相内晶界分布结果
合金变形组织的α相和β相进行进一步检测，对其晶界分布进行观察，结果如图4所示，且其中的应变速率为，变形温度为650℃。从图4中可以看出，两种相同时生成了很多亚晶界。出现这种现象是因为α相和β相在高温变形下其内部会存在高密度错位现象，于是就会出现相互缠结，然后将其母相进行切割，于是就会形成取向有区别的亚晶。当α相的亚晶形成之后，会因为β相的锲入，从而造成α相发生破碎，于是就会使得α相尺寸变小，并且不断形成等轴α相。
2.5 不同温度下α相体积分数的变化结果
在不同温度之下研究合金变形组织的电子背散射衍射检验表征，测量了α相体积分数，统计结果如图5所示，此时的应变速率为。从图中可以看出，当温度不断升高之后，α相体积分数发生了非常明显的变化，从45%下降到3%，正好与上文中对合金进行显微组织观察的结果一种。
2.6 不同应变速率下合金的扫描电镜显微组织
当变形温度为800℃时，不同应变速率下合金的扫描电镜显微组织如图6所示。从图6中可以看出，在该温度状况下，合金变形组织没有发生变化，为α相和β相，当应变速率比较小时，α相没有明显朝向排列趋势，而当应变速率比较大时，即为和时，具有明显的沿着变形方向想断续排列的形态。另外，当应变速率越来越大时，α相的尺寸变化趋势为不断降低。这种发展趋势是因为合金长时间的处于高温环境下，于是就会增加α相的尺寸[9]。而且当速率越来越小时，β晶粒的状态也在发生变化，变为了等轴状。
2.7 恒温恒速下合金变形组织的EBSD实验结果
当应变速率为，变形温度为800℃时，合金变形组织的EBSD表征如图7所示。从图7中可以看出，β晶粒发生了塑性变形，且其变形沿着流动方向被拉长，从图7（b）中可以看出，由于相邻晶粒之间的取向相差比较小，导致其相邻的颜色也比较相近，如图中箭头所示[9]。从图7（c）中可以看出，相邻晶粒之间存在小角度晶界，这是亚晶粒发生滑移造成的。
将上述试样中的应变速率降低到，其他条件都不变，得到如图8所示的合金变形组织EBSD表征。从图8中可以看出，当应变速率降低之后，其中β晶粒大致上全部变为等轴状。相邻晶粒之间具有相近的颜色分布。当应变速率降低之后，使得亚晶粒呈现出长大和粗化的变化。
2.8 β相晶界分布结果
当变形温度为800℃时，研究两种不同应变速率下的β相晶界分布，结果如图9所示。从图9中可以看出，当应变速率比较大时，即为，β相小角度晶界数量比较多，且大致57.8%的数量集中在2° ～15°，其中还存在28%的数量角度在55°以上。通过观察右边一张图，从图中可以看出，当应变速率降低之后，其β相小角度晶界数量降低很多，其中只有28%的小角度晶界在2°～15°之间，其余的在数量分布上大致相当。所以小角度数量占比随着速率的降低而不断下降，出现这种现象是因为晶界具有更长时间用于变形，于是合金组织就会向等轴化方向发展。
3 结语
通过上文体育器械的钛合金超塑性变形试验可知，当变形温度保持不变时，合金的断后伸长率与应变速率呈反比关系，当应变速率保持不变时，合金的断后伸长率与应变速率呈正比关系，且合金在任何温度和速率下，其断后伸长率都超过100%;当应变速率下降时，合金中α相尺寸不断增加，β晶粒有拉长状变成等轴状;当变形温度不断增加时，α相数量不断降低，形态有长条状变为等轴状或者短棒状。
参考文献
[1]常亚辉，刘涛.钛合金体育器械的表面改性与磨损行为研究[J].铸造技术，2016（4）：689-691.
[2]薛海涛，梁乐杰，杜威，等.钛合金体育器材的低周疲劳行为研究[J].塑性工程学报，2018，25（06）：298-303.
[3]贾勇，张华.热处理对体育器械用钛合金组织与力学性能的影响[J].热加工工艺，2017（8）：223-225.
[4]徐刚，鲁洁，黄才元.金属成形（锻压）机床的发展趋势[J].锻压装备与制造技术，2005（03）：9-12.
[5]张宁.不同热变形条件下体育器械用钛合金组织与性能研究[J].热加工工艺，2016，45（16）：199-202.
[6]张山坡，崔浩澜.不同热变形条件下体育器械用TC11合金的组织性能研究[J].铸造技术，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，张晓园，毛友川，等.锻造温度对TC21钛合金锻板组织和力学性能的影响[J].锻压技术，2015，40（01）：14-16+42.
[9]付明杰，张涛，韩秀全，等.TNW700高温钛合金板材超塑变形行为研究[J].稀有金属，2016，40（01）：1-7.