网球铝合金拍柄显微组织与力学性能

摘要：随着人类对网球热衷程度的提高，对网球的性能提出了更高的要求，于是制作高端网球拍显得相当重要。铝合金的性能较好，其密度较小、具有很较好的耐腐蚀性，将其应用于高端网球拍中比较合适，能够提高网球拍的应用效果和舒适感。不同的铝合金具备的显微组织和力学性能将会不同，应用于网球拍中的效果也会存在差异，于是文章通过实验研究的方式，研究了铝合金的显微组织和力学性能。由于铝合金性能会受到多方面因素的影响，文章主要对其时效工艺中的时效温度和时效时间进行分析。研究结果表明，当时效时间为20h、时效温度为150℃时，铝合金的平均晶粒尺寸最小、显微组织比较均匀，并且具备良好的力学性能。

关键词：网球；铝合金；显微组织；力学性能

铝合金不仅具备密度小的特点，还具有不错的耐腐蚀性能，由于网球拍需要具备质量轻的特点，将铝合金应用其中可以发挥较好的应用效果，并且铝合金的性能对网球拍柄的使用效果具有一定的影响，于是对铝合金性能进行研究具有一定的实用价值。然而铝合金的性能受到很多因素的影响，比如常见的热处理工艺和其组成成分等，付佳等人就研究了铝合金的力学性能和组织受到热处理的影响[1]。同样还有其他学者对其进行研究，只是研究的铝合金类型不一样[2-3]。另外，时效工艺也会影响到铝合金的性能，并且对于这方面的研究比较少，于是本文将从时效工艺方面研究网球铝合金拍柄的显微组织和力学性能。林松盛等人对铝合金进行研究时发现铟能够提高其性能[4]。于是为了增加铝合金的性能，在Al-Mg-Zn铝合金的基础上加入元素In，于是可以变成Al-Mg-Zn-In铝合金，将其运用于网球拍柄中具有较好的性能。然而铝合金的时效工艺会对其性能造成影响，所以为了得到更加优质的铝合金，将会其时效工艺对铝合金显微组织和力学性能的影响进行研究。另外，时效工艺中包含的因素较多，于是本文将通过实验研究的方式主要对其时效时间和时效温度进行分析。

1实验部分

1.1实验材料和仪器

实验所需要的材料主要为Al-Mg-Zn新型网球拍铝合金挤压板材。实验过程中需要使用到的仪器主要为金相显微镜、扫描电子显微镜、电子万能试验机、光谱仪、冲击试验机。

1.2试样的制作

在板材的制作过程中，其中涉及到的相关参数设置为：挤压速度为3mm/min，挤压温度为490℃。材料的挤压完成之后，需要快速的对材料进行在线淬火，选择的淬火方式为水淬。于是需要将制作好的板材进行切割，切割成多个小样作为实验的试样，试样的尺寸大小为40cm×20cm×0.4cm。然后再将这些试样进行实验研究，研究不同工艺的时效处理对铝合金的力学性能的影响。表1即为5个试样中时效工艺参数。

1.3实验过程

通过光谱仪对试样进行测试，检测其化学成分，其检测结果如表1所示。然后再通过显微镜对不同工艺时效的试样进行观察其显微组织。再在常温环境下使用电子万能试验机对试样进行拉伸性能试验，对试样的拉伸方向与挤压方向是垂直的。当进行拉伸之后，试样出现断裂，则使用扫描电子显微镜对断口进行观察。最后在室温环境下，通过使用冲击试验机对试样进行冲击测试，测试试样的冲击性能，缺口的形状为V型。

2实验结果和分析

2.1拉伸性能

2.1.1时效温度相同的情况当时效温度相同时，研究时效时间对铝合金拉伸性能的影响。同样使用电子万能试验机对不同时效时间下的试样进行拉伸试验，其中的时效温度设置为150℃，最后试验结果如图1所示。从图中可以看出，与第一种情况一样，试样的拉伸强度、屈服强度和断后收缩率的变化趋势也是先增大后减小，可知当时效时间过程或者过短时都不利于试样的拉伸性能。从图中可以看出，拉伸强度、屈服强度和断后收缩率的最大值分别为416MPa、362MPa、19.8%。于是通过设置的3种时效时间可得到如下结论：当时效温度设置为150℃、时效时间设置为20h时，其拉伸性能达到最大。

2.1.2时效时间相同的情况通过使用电子万能试验机对不同时效温度下的试样进行实验之后，其检测结果如图2所示。其中设置的时效时间均相等，都为20h。从图中可以看出，当时效温度不同时，拉伸强度、屈服强度和断后收缩率都会发生变化，其变化趋势均为先增大后减小。由于时效温度只设置到3种情况，所以能够大概得到当时效温度设置为150℃时，其3种拉伸性能均达到最大值，分别为416MPa、362MPa、19.8%。从而可以得出如下结论：当时效时间为20h、时效温度为150℃时，网球铝合金拍柄的拉伸性能最好。完成拉伸实验之后，试样会发生断裂情况，于是需要使用扫描电子显微镜对断口出进行观察，在室温环境下的观察的结果如图3所示，其中涉及到的时效时间为20h，时效温度为150℃，即所测试的试样为试样2。从图中可以看出，铝合金断口面包含着比较少的撕裂棱和较多的细小韧窝，所以铝合金的断裂方式为韧性断裂。从而可以得到在该情况下，新型铝合金的断裂方式为韧性断裂。

2.2显微组织

本文所研究的试样中，每一种试样的时效工艺不一样，通过对不同的试样检查其平均晶粒尺寸，其检测结果如图4所示，检测的时效工艺对平均晶粒尺寸的影响。从图中可以看出，时效时间设置为20h，当时效温度越来越高时，其平均晶粒尺寸大小的变化趋势为先减小后增大。同样，当时效温度设置到150℃，当时效时间不短增加时，试样的平均晶粒尺寸大小的变化趋势也是先减小后增大。另外，从图4中可以看出，试样的平均晶粒尺寸最小大致为，此时的时效时间为20h和时效温度为150℃时。对平均晶粒尺寸最小的试样使用显微镜进行观察，得到其显微组织照片如图5所示，从图5中可以看出，其晶粒比较小，并且组织比较均匀。于是可以得到在时效时间设置到20h、时效温度设置到150℃时，网球铝合金拍柄显微组织比较好，应用于网球中能够具备较好的性能。

3讨论与分析

时效的含义为在一定的温度条件下，合金或者金属保持一端时间之后，金属或者合金会出现晶格沉淀现象和过饱和固溶体脱落现象，从而使得金属或者合金的强度得以不断提升[5-6]。本文试验中在对铝合金进行时效处理之前，就通过在线淬火得到饱和单相组织。然后使用水淬使之快速冷却，从而得到固溶体，整个溶质原子和空位都是过饱和状态，即使之处于双重过饱和状态。对铝合金进行力学性能分析时，其中主要受到时效温度、淬火冷却速度、时效时间和猝火温度等的影响[7-8]。本文所研究的网球铝合金主要研究了其中两种影响因素对铝合显微组织和力学性能的影响，于是将其他的所有因素设置为恒定值。从上文的分析来看，对于铝合金成分一致的情况下，时效时间和温度之间是存在一定的联系，共同决定着铝合金显微组织和力学性能。如果当铝合金的成分不一样时，力学性能最好的情况，铝合金的时效温度和时效强度就会发生变化[9-10]。本文的实验研究结果为失效温度控制在150℃时，网球铝合金的拉伸性能将会更高，当温度过高或者过低时，其拉伸强度都将会降低。因为如果时效温度比较低时，时效强化的效果就会非常弱，甚至很难起到效果，于是当温度不断升高时，强化效果就会不断增强，当温度越来越高时，超过了最佳时效温度之后，网球铝合金的晶粒就会越发的粗，因此其拉伸强度就会大幅度降低。另外，时效时间长短对网球力学性能也有较大的影响。与时效温度的影响效果一样，这是因为当时效时间比较短时，时效的强化作用还没有完成，于是此时的拉伸强度降低，当随着时效时间的不断增加，时效的强化作用慢慢变得充分，使得网球拉伸强度达到最大化，当时效时间超过最佳时间之后，就会出现第二相析，软化程度就会越来越高，于是网球铝合金的拉伸强度不断下降[11]。所以通过本文的研究发现，时效温度和时间设置要合理，不能过高也不能过低，时效温度大致带150℃、时效时间大致在20h时，网球铝合金的力学性能将会更加，当然该值的设定主要针对的是本文所选定的铝合金，因为不同的成分的铝合金，时效时间和时效温度是不一样的。

4结语

通过对网球铝合金拍柄显微组织和力学性能的研究，研究结论为当时效时间或者时效温度一定时，另外一种时效因素不断增加的情况下，网球铝合金的拉伸强度的变化趋势为先增加后降低，铝合金平均晶粒尺寸的变化趋势为先减小后增大；当时效温度为150℃、时效时间为20h时，文章所研究的铝合金的力学性能达到最优。文章只研究了两种因素对铝合金显微组织和力学性能的影响，当然还存在其他的影响因素，为了能够更加全面的对网球铝合金进行分析，在后续工作中还可以对其他因素进行研究，从而更加了解网球铝合金的性能，从而有助于铝合金在网球中应用效果。

参考文献

[1]付佳，晋会锦，吴素君，等.热处理对2A14铝合金组织和性能的影响[J].材料热处理学报，2016（01）：189-194.

[2]孙擎擎，陈康华，陈启元.热处理制度对含Yb航空铝合金电化学腐蚀行为的影响[J].中国有色金属学报，2016，26（03）：479-485.

[3]沈茹娟，肖代红.时效热处理对7B50超强铝合金组织与性能的影响[J].粉末冶金材料科学与工程，2016（01）：78-84.

[4]林松盛，付志强，邓其森，等.含铟铝合金焊料及其复合带性能的研究[J].广东有色金属学报，2001（01）：48-50.

[5]黄艳斐，汪勇，周新远，等.不同热处理条件下2A12铝合金焊接试样的残余应力及力学性能[J].热加工工艺，2012，41（18）：180-183.

[6]赵文忠.金属材料时效性的机理分析[J].河西学院学报，2003（05）：43-45.

[7]姜义，史庆南，王璐，等.热处理对等通道挤压7003铝合金组织和性能的影响[J].热加工工艺，2012，41（20）：148-151.

[8]康雷，赵刚，刘坤，等.7B50铝合金淬透性及其临界平均冷却速率研究[J].稀有金属材料与工程，2019，48（01）：309-316.

[9]陈惠民.热处理温度和时间对LC4、LY12变形铝合金机械性能的影响[J].金属热处理，1981（06）：22-29.

[10]邓平安，许晓静，张允康，等.Al-7.5Zn-1.5Mg-1.4Cu-0.15Zr7085铝合金挤压材的热处理制度[J].热加工工艺，2013，42（10）：184-187.

[11]孙祺，王剑，何燕，等.时效时间对2205双相不锈钢中第二相析出行为的影响[J].金属热处理，2016，41（02）：63-67.

作者：定茜 单位：西安医学院