供稿|林俊翔，許勝安，趙志燁

高爾夫球頭材質(zhì)綜述

供稿|林俊翔，許勝安，趙志燁

內(nèi)容導讀

高爾夫球運動是一項經(jīng)過數(shù)個世紀的演變歷史悠久的運動。一套高爾夫球具通常會準備不同功能的14支球桿，以便在多變且復雜的高爾夫球場上打出最少桿數(shù)。近23年以來將近有60幾種的材料用于高爾夫球具，大致上可分為鈦合金、不銹鋼、碳鋼、銅合金及非金屬材料。文章綜述了高爾夫球頭的打擊面所用材質(zhì)，并分析其力學性能和特性演變。木桿頭主要應用材料為鈦合金，比強度介于(1.9～2.25)×104MPa/(g·cm-3)，延伸率介于10%～20%，密度介于4.37～4.5 g/cm3，楊氏模量介于110～120 GPa。球道木桿主要應用材料為高強度不銹鋼，比強度介于(178～303)× 104MPa/(g·cm-3)，延伸率介于9%～16%。鐵桿頭主要應用材料為不銹鋼及碳鋼，機械性質(zhì)有高比強度(1.8～2.4 )×104MPa/(g·cm-3)及高延伸率(30%～50 %)的特性。推桿比強度不超過1.1× 104MPa/(g·cm-3)，延伸率則介于4%～64%。

高爾夫球運動的玩法為：使用桿子將球打進洞里，為了增加其困難度，在許多球場上會設計一些自然或人工的障礙，如長短草區(qū)、沙坑、水池、樹林、果嶺坡度等。因此，如何以最少的桿數(shù)使球進洞，將會是選手的一大挑戰(zhàn)，故完整且適合自己的球具組便不可或缺。一套完整的球具組共計14支，其中包含了木桿 (Wood) 3～5支、鐵桿 (Iron) 7～8支、劈起桿 (PW) 1～2支、砂坑桿 (SW) 1支、推桿 (Putter) 1支。

通?？梢詫⒏郀柗蚯蚓叻譃槿箢悾耗緱U頭(Wood)、鐵桿頭(Iron)及推桿(Putter)。而在比賽用高爾夫球具的設計使用上須遵守USGA及R&A共同制定的規(guī)范如：尺寸、形狀、體積、特征時間(CT)、慣性力矩(MOI)、恢復系數(shù)(COR)等。

隨著功能要求不斷提高，應用于高爾夫球頭上的材質(zhì)由最早期的山胡桃木、柿子木制作，漸漸演變成現(xiàn)在常用的鈦合金、不銹鋼及鐵系材料。2000年以后，有近50多種金屬材料應用在高爾夫球頭上。例如：鐵系材料:S25C、8620；不銹鋼材料:17-4PH、304SS、AM355、431SS、455SS、465SS、HT1770、X25、X30、X17；鈦合金:Ti64、Ti811、G4、SP700、15333、2041、DAT55G、Ti-10-2Fe-3Al、Ti-15Mo-5Zr-3Al等。

為配合市場的需求在材料選用上就相當重要。球具材料發(fā)展過程中，早期柿木的實心桿頭重量、強度較低，現(xiàn)今所使用的金屬材料不但能使桿頭強度越來越高，又可減輕重量并提高擊球成功率。因此有必要對低密度高強度的鈦合金進行開發(fā)。通過不同的加工處理方式與合金元素的搭配，研發(fā)應用于桿頭制造，甚至可結合非金屬的復合材料設計等，使球具有良好的操控性、擊球精準度、較遠的擊球距離及更高容錯值。

本文研究范圍如圖1所示，通過文獻及數(shù)據(jù)等搜集，探討過去23年來（1991—2013）金屬材料應用于高爾夫球頭打擊面上的發(fā)展趨勢及結構、機械性能。

圖1 高爾夫球頭材質(zhì)演變示意圖

高爾夫球頭打擊面材質(zhì)演變

Driver打擊面材質(zhì)演變

從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)鈦合金(Ti64)自1990年開始應用在高爾夫球頭上后，其Ti64材質(zhì)則持續(xù)使用至今，直到1997年后陸續(xù)有其他合金的應用出現(xiàn)，如:SP700、Ti1553、Ti5333、2041等，推測USGA及U&A也因為如此，故在1998年提出了恢復系數(shù)(COR)的規(guī)范。然而新型鈦合金約2008后開始出現(xiàn)投入使用，例如:Ti9、Ti5111、Ti811、Ti735等，推測是USGA及U&A于2008年開始共同協(xié)議將恢復系數(shù)(COR)修訂為0.83，以及2007年的金融風暴，使各家廠商均推出較低成本并符合高爾夫球協(xié)會所規(guī)范的材質(zhì)。

在Driver中不銹鋼的使用并不常見。自從17-4PH不銹鋼高爾夫球頭出現(xiàn)后，17-4PH一直到2006年都在使用，中間也曾有其他種類的不銹鋼出現(xiàn)，例如431SS、15-5PH、465SS、450SS，但很快又消失了。

雖然鈦合金的出現(xiàn)改變了高爾夫球的材質(zhì)應用，但其他材料在Driver方面，如柿子木還是持續(xù)使用至1998年才停止。

Fairway打擊面材質(zhì)演變

鈦合金在Fairway方面，除Ti64從1993年開始一直持續(xù)到2013年，其間也加入其他鈦合金的應用，但相對于不銹鋼的應用，所使用的年份較短且種類較少。從圖2(b)發(fā)現(xiàn)，鈦合金應用于Fairway，并不受到金融風暴及高爾夫球協(xié)會影響。另外從圖2(a)及圖2(b)觀察出，鈦合金在1997年開始就陸續(xù)有新材質(zhì)應用在Driver上，但Fairway直到2000年之后才陸續(xù)加入。

不銹鋼方面，F(xiàn)airway應用最久的典型材料為17-4PH，直至2000年左右才陸續(xù)出現(xiàn)其他不銹鋼，如15-5PH、465SS、450SS、455SS及AM355等；在2008左右開始出現(xiàn)其他不銹鋼加入使用，像HT1770、ES230等。

非金屬方面，到1994年柿木才不再有廠商推出；約1994—2000年Fairway也曾偶爾的出現(xiàn)應用鋁合金，但從2000年后就不在有廠商使用此類材質(zhì)。

Iron打擊面材質(zhì)演變

圖2 高爾夫球頭打擊面材質(zhì)演變: (a) Driver; (b) Fairway; (c) Iron; (d) Putter

1994年前后，在Iron方面除了鈦合金外還有銅合金及碳纖維織材質(zhì)使用。從1997年開始使用純鈦后，一直到2000年開始Iron材質(zhì)陸續(xù)有其他鈦合金加入，但大部分使用時期不長，推測是受到金融風暴影響。2008后鈦合金在Iron上使用驟減。

不銹鋼及碳鋼方面，使用最久之材料為304SS、431SS、S25C及17-4PH；從圖2(c)可看出從2000年開始大約每五年會有新的材質(zhì)被研發(fā)使用，例如15-5PH、450SS及455SS，S20C、SUP10、8620、E2000、X25、475SS及AM355，ASTM771、303SS、X30及465SS。

Putter打擊面材質(zhì)演變

從圖2(d)中發(fā)現(xiàn)，材質(zhì)演變可大概分為3個階段，1991—2000年，以銅合金為主流，如: 純銅、青銅、黃銅；1995—2005年，以碳鋼為主流，如:S25C、S30C及8620；2000—2013年，漸漸以不銹鋼為主流，如:17-4PH、303SS、304SS及431SS。近年來Putter材質(zhì)被應用最久(1991—2013年)的為17-4PH。

機械性質(zhì)結果

Driver機械性質(zhì)演變

圖3(a)為Driver 1991—2013年密度演變圖，可以從中發(fā)現(xiàn)2000年開始發(fā)展密度介于4.54～4.73 g/cm3之間的鈦合金，到2008—2013年開始轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)展低密度鈦合金，密度介于4.37～4.45 g/cm3，可能是2007發(fā)生金融風暴造成廠商在球頭設計上盡量降低成本。

圖3(b)為1991—2013年Driver楊氏模量演變圖，可在其中發(fā)現(xiàn)鈦合金楊氏模量由低變高；且于2008年前后才明顯變高，可能是2008年以前雖有規(guī)定，但一直到2008年才在共同協(xié)議下將COR修定為0.83，如此COR在2008年以前才會有高有低。

圖3(c)為1991—2013年Driver鈦合金比強度-延伸率圖，可得知圖中鈦合金于開球木桿(Driver)的應用，比強度介于2.0～3.0×104MPa/(g·cm-3)，延伸率則介于在6%～20 %。

圖3 Driver 1991-2013年(a) 密度演變圖；(b) 楊氏模量演變圖；(c) 比強度-延伸率圖

Fairway機械性質(zhì)演變

圖4為1991—2013年Fairway不銹鋼及其他材質(zhì)比強度-延伸率圖，由圖中可得知高比強度的不銹鋼為球道木桿主要使用，比強度介于1.78～2.63 MPa/(g·cm-3)，延伸率介于9%～16 %。而應用在球道木桿之鈦合金，比強度為(1.78～3.03)×104MPa/(g·cm-3)，延伸率則為4%～20 %。

Fairway以不銹鋼作為打擊面居多，可能是使用鈦合金會提高成本以及Fairway可以不必要求擊出的最遠距離，反而要求可打出不同距離的球桿，加上不銹鋼已經(jīng)發(fā)展很長的時間了，故能提供豐富的應用。

圖4 1991—2013年Fairway不銹鋼及其他材質(zhì)比強度-延伸率圖

Iron機械性質(zhì)演變

圖5為1991—2013年Iron不銹鋼比強度-延伸率圖，從圖中得知，不銹鋼材質(zhì)應用于鐵桿頭，有高比強度((1.80～2.40)×104MPa/(g·cm-3)) 機械性質(zhì)呈現(xiàn)趨勢或是高延伸率(30%～50%)走向。而碳鋼系列材質(zhì)應用于鐵桿頭，比強度有較低((6.5～9.4)×104MPa/(g·cm-3))及較好的延伸率(22%～38%)。鐵桿頭多為使用不銹鋼及碳鋼材質(zhì)，是為了攻上果嶺前須具有打的準且直的特點。

圖5 1991—2013年Iron不銹鋼比強度-延伸率圖

Putter機械性質(zhì)演變

圖6為1991—2013年Putter比強度-延伸率圖。其中比強度不超過1.1×104MPa/(g·cm-3)，但其延伸率范圍十分廣泛落于4%～64%。因為是Putter在果嶺上控制方向及距離，球才能穩(wěn)定的滾進洞里，因此選用材質(zhì)上則不會選擇強度太高的材質(zhì)。

圖6 1991—2013年Putter比強度-延伸率圖

結束語

未來趨勢預測：(1) 設計Driver應持續(xù)以低密度且高強度合金材料為主，如此球具可有更豐富的設計性，例如配重及重心設計等。(2) Iron材質(zhì)多為不銹鋼及碳鋼，此二類合金密度高，設計出的球具重量較重，未來或許能開發(fā)低密度不銹鋼，使Iron重量降低則可有優(yōu)良的設計性能，使球員在場上使用更容易。

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屏東科技大學機械工程系, 屏東 91201