基于特殊溫度環(huán)境下合金金屬材料的力學性能

許學斌

摘要：合金金屬是應用極為廣泛的金屬材料，它是由兩種或兩種以上的金屬或非金屬經(jīng)過一定方法合成的，它具有金屬的特性，且耐腐蝕性與熱穩(wěn)定性都很好。本文將探析特殊溫度環(huán)境下合金金屬的力學性能，具有現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：特殊溫度環(huán)境；合金金屬；力學性能

前言：

本文通過采用萬能材料試驗機，在室內(nèi)及200-1000℃高溫下，對合金材料進行拉伸試驗，通過試驗結(jié)果分析出合金材料的力學性能，此外，再結(jié)合硬度計測試得出合金材料在不同溫度條件下的硬度性能，利用電子顯微鏡觀察材料的斷口處，并對高溫下合金的拉伸斷裂機制進行分析。

一、合金材料相關(guān)內(nèi)容綜述

（一）特點

合金材料即鈦合金，其中鈦是一種稀有金屬，早在18世紀90年代，英國的礦物學家就發(fā)現(xiàn)了這種化學元素，人們經(jīng)過一個世紀的努力后，最終在1910年制出金屬鈦。鈦合金的應用極為廣泛，早在二戰(zhàn)時期就被作為航空發(fā)動機的關(guān)鍵性材料。鈦元素是元素周期表中的IVB族，它具有聯(lián)眾同素異構(gòu)晶體，在882.5℃的溫度下可以進行轉(zhuǎn)變。點陣常數(shù)為：a=0.2950nm，c=0.4683nm，c/a=1.587。

合金材料的密度為4.51g/cm3，比鋼的密度要高出60%，其強度在所有金屬中排名第一。合金在高溫環(huán)境中的性能穩(wěn)定，即便是400-500℃的環(huán)境下，合金材料仍能夠保持長期穩(wěn)定的工作，這也是它能利用在航空材料中的主要原因。合金的耐腐蝕性好，無論是潮濕的空氣，還是鹽水環(huán)境下，它都具有很好的抗腐蝕性，這主要是因為它的表面有一層排列緊密的氧化膜，幫助其抵御外界的侵蝕。此外，合金材料還具有耐低溫、良好的抗阻尼性與吸氣性特點。

（二）分類

1.α型鈦合金

該類鈦合金材料是由中性元素與α相穩(wěn)定元素組成的，其中近α型鈦合金中會含有8-15%的β相穩(wěn)定元素。它具有耐腐蝕、易焊接、組織穩(wěn)定的特點，但由于β相穩(wěn)定元素的含量過少，因此該種材料的熱處理強化效果不是很好。

2.α+β型鈦合金

該種合金材料中含有AI元素、β相穩(wěn)定元素與中性元素，它通過α+β的形式，有效的保證了材料的高強度與可塑性，并且可以很好的進行熱處理強化，并能夠長時間的進行高溫工作。TC4鈦合金是一種典型的α+β型材料，它其中含有6%的代表α穩(wěn)定元素AI以及4%代表β穩(wěn)定元素V。

3.β型鈦合金

該類合金材料是由中性元素與β相定位元素組成的，其中近β型合金材料中會含有超臨界溶度的β相穩(wěn)定元素。它具有高強度、高韌度以及高滲透性等優(yōu)點，但溫度性相較α材料要差很多[1]。

二、基于特殊溫度環(huán)境下的合金金屬材料力學性能測試

（一）拉伸性能測試

本文通過利用Instron5982型電子萬能材料試驗機對合金材料進行拉伸性能的測試。以拉伸溫度與速度為影響合金組織結(jié)構(gòu)與機械性能的兩個因素，以此來探析特殊溫度環(huán)境下合金金屬材料力學性能的變化。首先預調(diào)試驗溫度，待溫度達到設定標準后再開始進行拉伸，直至試驗材料斷裂，將斷裂的試樣快速從高溫爐中取出，并放到室溫環(huán)境下進行冷卻。

（二）Vic-3D系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)可以分析合金材料在拉伸過程中的應力應變場的分布情況，使試驗人員能夠直觀的檢測到應力的集中顯現(xiàn)。其工作流程如下：散斑制作-相機校正-圖像拍攝-形變測量-軟件分析。散斑應采用黑白兩色進行噴漆處理，且需要白漆部分的按壓力度均勻，使散斑分布均勻，清晰可見。在合金試樣斷裂后，在同一位置拍攝15張以上的合格照片，相機的參數(shù)通常為速率4s每張，子集大小55。

（三）顯微組織觀察

合金材料的試樣應當按照以下流程進行制備：首先，在完成試樣切割后，需要用M2預磨機將其表面打磨光滑，其次，利用400-2000號的砂紙進行細磨拋光處理，最終得到體積比為1：2：50的測試面。最后，利用金相蔡司顯微鏡進行觀察，并拍攝清晰的照片。

（四）微觀斷口的形貌觀察

在保證斷口未被污染的前提下，將斷口再次截取成等高的待測試樣本，并將橫截面用砂紙打磨平滑，使其能夠豎直的立在實驗臺上，為了保證實驗順利進行，可以利用導電膠進行固定，在此基礎(chǔ)上利用Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡來觀察斷口的形貌，并結(jié)合AMETEK EDAX分析儀對斷口進行能譜分析，為合金材料的力學性能試驗提供有力依據(jù)。

三、特殊溫度環(huán)境下的合金金屬材料力學性能測試結(jié)果分析

（一）不同溫度下合金金屬材料的力學性能

筆者通過試驗，得出了拉伸速度在0.5mm/min時合金材料在200-1000℃條件下的力學性能，發(fā)現(xiàn)合金的抗拉強度會隨著溫度的升高而下降，從最初的接近88MPa，降到最后的15MPa，延伸率會隨著溫度的增加而呈先高后低的變化趨勢。這主要是因為位錯滑移是高溫環(huán)境下材料變形的最主要機制。隨著溫度的升高，位錯滑移與原子運動都有所加強，致使材料的動態(tài)再結(jié)晶能力有所增強，此外，由于溫度的升高，α與β間發(fā)生了轉(zhuǎn)換，材料中的β相穩(wěn)定元素的含量不斷增多，雖然提高了材料的塑性，但同時也降低了抵御變形的能力。

（二）特殊溫度對合金材料顯微組織的影響

在高溫的拉伸過程中，材料中的顯微組織也會隨著溫度而發(fā)生一定的變化，而這種變化也會對材料的強度、延伸率等一些力學性能造成影響。

綜合概括起來，高溫對合金材料的力學性能影響主要體現(xiàn)在以下兩個方面：第一，隨著溫度的升高，材料中原子的運動力加強，擴散速度變快，致使材料的畸變能減小，再次結(jié)晶所需要的驅(qū)動能力減低。第二，溫度還會影響到形核率，當溫度升高時，再結(jié)晶快速發(fā)生，而結(jié)晶的形核率也隨之變快。

（三）特殊溫度對于合金材料XRD的影響

筆者在試驗中設置的拉伸速度為0.5mm/min，在200-1000℃的溫度環(huán)境下進行XRD試驗，最終得出XRD圖譜。通過圖譜得出的信息了解到，當溫度在200-600℃時，合金材料中的α相為主要相位，β相的含量極低。當溫度在800-1000℃時，材料中的α相含量不斷減少，β相含量不斷增多，尤其在1000℃的高溫環(huán)境下，這種相位的轉(zhuǎn)變更加的明顯。由此也得出溫度越高，相伴轉(zhuǎn)化的速度越快。

（四）特殊溫度環(huán)境下合金材料的硬度變化

利用origin8.0軟件繪制出不同高溫環(huán)境下，合金材料拉伸實驗完畢后得出的硬度平均值，可以直觀的看出硬度的變化規(guī)律。當溫度控制在800℃以下是，材料的硬度基本沒有太大的變化，始終在28上下浮動。當溫度達到1000℃時，材料的硬度上升到27.62。這主要是因為當溫度提升時，材料中的相位發(fā)生轉(zhuǎn)變，溫度越高，β相位的含量越高，材料的穩(wěn)定程度與硬度也隨之降低[2]。

（五）不同拉伸速率下的合金材料學性能

同樣利用origin8.0軟件繪制電子萬能材料試驗機得到的力學數(shù)據(jù)，進而得出材料強度與拉伸速度間的曲線關(guān)系，我們從圖中發(fā)現(xiàn)，在400℃的環(huán)境下，隨著拉伸速度的增加，材料的強度也不斷增大，且延伸率呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。

結(jié)語：

本文通過分析特殊溫度環(huán)境下合金金屬材料的力學性能，最終得出以下結(jié)論：以200-1000℃為試驗溫度區(qū)間，隨著溫度的不斷上升，合金材料的延伸率不斷減小；硬度先變小后增大；α相體積分數(shù)減小，在1000℃時轉(zhuǎn)化為β相；隨著溫度的升高，材料的韌性斷裂特征增強，脆性斷裂特征減弱。以拉伸速度為0.5mm/min為基礎(chǔ)拉伸速度，隨著速度的不斷增大，材料的脆性斷裂特征增大，抵抗塑性變形的能力也不斷加強，屈服強度升高，延伸率先增后減。通過本文的研究，希望能為相關(guān)行業(yè)人士帶來一定的幫助。

參考文獻：

[1]李先雨，王偉國，郝剛領(lǐng)，劉婷.新型超輕高強球形孔Ti-Al的制備及其力學性能研究[J].有色金屬工程，2017，7（05）：20-24

[2]任英磊，付麗麗，張偉，邱克強.冷卻速度對Mg_（75）Ni_（12）Zn_5Y_8合金組織及力學性能的影響[J].中國科技論文，2017（16）：1890-1894.