基于特殊温度环境下合金金属材料的力学性能

许学斌

摘要：合金金属是应用极为广泛的金属材料，它是由两种或两种以上的金属或非金属经过一定方法合成的，它具有金属的特性，且耐腐蚀性与热稳定性都很好。本文将探析特殊温度环境下合金金属的力学性能，具有现实意义。

关键词：特殊温度环境；合金金属；力学性能

前言：

本文通过采用万能材料试验机，在室内及200-1000℃高温下，对合金材料进行拉伸试验，通过试验结果分析出合金材料的力学性能，此外，再结合硬度计测试得出合金材料在不同温度条件下的硬度性能，利用电子显微镜观察材料的断口处，并对高温下合金的拉伸断裂机制进行分析。

一、合金材料相关内容综述

（一）特点

合金材料即钛合金，其中钛是一种稀有金属，早在18世纪90年代，英国的矿物学家就发现了这种化学元素，人们经过一个世纪的努力后，最终在1910年制出金属钛。钛合金的应用极为广泛，早在二战时期就被作为航空发动机的关键性材料。钛元素是元素周期表中的IVB族，它具有联众同素异构晶体，在882.5℃的温度下可以进行转变。点阵常数为：a=0.2950nm，c=0.4683nm，c/a=1.587。

合金材料的密度为4.51g/cm3，比钢的密度要高出60%，其强度在所有金属中排名第一。合金在高温环境中的性能稳定，即便是400-500℃的环境下，合金材料仍能够保持长期稳定的工作，这也是它能利用在航空材料中的主要原因。合金的耐腐蚀性好，无论是潮湿的空气，还是盐水环境下，它都具有很好的抗腐蚀性，这主要是因为它的表面有一层排列紧密的氧化膜，帮助其抵御外界的侵蚀。此外，合金材料还具有耐低温、良好的抗阻尼性与吸气性特点。

（二）分类

1.α型钛合金

该类钛合金材料是由中性元素与α相稳定元素组成的，其中近α型钛合金中会含有8-15%的β相稳定元素。它具有耐腐蚀、易焊接、组织稳定的特点，但由于β相稳定元素的含量过少，因此该种材料的热处理强化效果不是很好。

2.α+β型钛合金

该种合金材料中含有AI元素、β相稳定元素与中性元素，它通过α+β的形式，有效的保证了材料的高强度与可塑性，并且可以很好的进行热处理强化，并能够长时间的进行高温工作。TC4钛合金是一种典型的α+β型材料，它其中含有6%的代表α稳定元素AI以及4%代表β稳定元素V。

3.β型钛合金

该类合金材料是由中性元素与β相定位元素组成的，其中近β型合金材料中会含有超临界溶度的β相稳定元素。它具有高强度、高韧度以及高渗透性等优点，但温度性相较α材料要差很多[1]。

二、基于特殊溫度环境下的合金金属材料力学性能测试

（一）拉伸性能测试

本文通过利用Instron5982型电子万能材料试验机对合金材料进行拉伸性能的测试。以拉伸温度与速度为影响合金组织结构与机械性能的两个因素，以此来探析特殊温度环境下合金金属材料力学性能的变化。首先预调试验温度，待温度达到设定标准后再开始进行拉伸，直至试验材料断裂，将断裂的试样快速从高温炉中取出，并放到室温环境下进行冷却。

（二）Vic-3D系统测试

该系统可以分析合金材料在拉伸过程中的应力应变场的分布情况，使试验人员能够直观的检测到应力的集中显现。其工作流程如下：散斑制作-相机校正-图像拍摄-形变测量-软件分析。散斑应采用黑白两色进行喷漆处理，且需要白漆部分的按压力度均匀，使散斑分布均匀，清晰可见。在合金试样断裂后，在同一位置拍摄15张以上的合格照片，相机的参数通常为速率4s每张，子集大小55。

（三）显微组织观察

合金材料的试样应当按照以下流程进行制备：首先，在完成试样切割后，需要用M2预磨机将其表面打磨光滑，其次，利用400-2000号的砂纸进行细磨抛光处理，最终得到体积比为1：2：50的测试面。最后，利用金相蔡司显微镜进行观察，并拍摄清晰的照片。

（四）微观断口的形貌观察

在保证断口未被污染的前提下，将断口再次截取成等高的待测试样本，并将横截面用砂纸打磨平滑，使其能够竖直的立在实验台上，为了保证实验顺利进行，可以利用导电胶进行固定，在此基础上利用Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜来观察断口的形貌，并结合AMETEK EDAX分析仪对断口进行能谱分析，为合金材料的力学性能试验提供有力依据。

三、特殊温度环境下的合金金属材料力学性能测试结果分析

（一）不同温度下合金金属材料的力学性能

笔者通过试验，得出了拉伸速度在0.5mm/min时合金材料在200-1000℃条件下的力学性能，发现合金的抗拉强度会随着温度的升高而下降，从最初的接近88MPa，降到最后的15MPa，延伸率会随着温度的增加而呈先高后低的变化趋势。这主要是因为位错滑移是高温环境下材料变形的最主要机制。随着温度的升高，位错滑移与原子运动都有所加强，致使材料的动态再结晶能力有所增强，此外，由于温度的升高，α与β间发生了转换，材料中的β相稳定元素的含量不断增多，虽然提高了材料的塑性，但同时也降低了抵御变形的能力。

（二）特殊温度对合金材料显微组织的影响

在高温的拉伸过程中，材料中的显微组织也会随着温度而发生一定的变化，而这种变化也会对材料的强度、延伸率等一些力学性能造成影响。

综合概括起来，高温对合金材料的力学性能影响主要体现在以下两个方面：第一，随着温度的升高，材料中原子的运动力加强，扩散速度变快，致使材料的畸变能减小，再次结晶所需要的驱动能力减低。第二，温度还会影响到形核率，当温度升高时，再结晶快速发生，而结晶的形核率也随之变快。

（三）特殊温度对于合金材料XRD的影响

笔者在试验中设置的拉伸速度为0.5mm/min，在200-1000℃的温度环境下进行XRD试验，最终得出XRD图谱。通过图谱得出的信息了解到，当温度在200-600℃时，合金材料中的α相为主要相位，β相的含量极低。当温度在800-1000℃时，材料中的α相含量不断减少，β相含量不断增多，尤其在1000℃的高温环境下，这种相位的转变更加的明显。由此也得出温度越高，相伴转化的速度越快。

（四）特殊温度环境下合金材料的硬度变化

利用origin8.0软件绘制出不同高温环境下，合金材料拉伸实验完毕后得出的硬度平均值，可以直观的看出硬度的变化规律。当温度控制在800℃以下是，材料的硬度基本没有太大的变化，始终在28上下浮动。当温度达到1000℃时，材料的硬度上升到27.62。这主要是因为当温度提升时，材料中的相位发生转变，温度越高，β相位的含量越高，材料的稳定程度与硬度也随之降低[2]。

（五）不同拉伸速率下的合金材料学性能

同样利用origin8.0軟件绘制电子万能材料试验机得到的力学数据，进而得出材料强度与拉伸速度间的曲线关系，我们从图中发现，在400℃的环境下，随着拉伸速度的增加，材料的强度也不断增大，且延伸率呈现出先增后减的趋势。

结语：

本文通过分析特殊温度环境下合金金属材料的力学性能，最终得出以下结论：以200-1000℃为试验温度区间，随着温度的不断上升，合金材料的延伸率不断减小；硬度先变小后增大；α相体积分数减小，在1000℃时转化为β相；随着温度的升高，材料的韧性断裂特征增强，脆性断裂特征减弱。以拉伸速度为0.5mm/min为基础拉伸速度，随着速度的不断增大，材料的脆性断裂特征增大，抵抗塑性变形的能力也不断加强，屈服强度升高，延伸率先增后减。通过本文的研究，希望能为相关行业人士带来一定的帮助。

参考文献：

[1]李先雨，王伟国，郝刚领，刘婷.新型超轻高强球形孔Ti-Al的制备及其力学性能研究[J].有色金属工程，2017，7（05）：20-24

[2]任英磊，付丽丽，张伟，邱克强.冷却速度对Mg_（75）Ni_（12）Zn_5Y_8合金组织及力学性能的影响[J].中国科技论文，2017（16）：1890-1894.