田永周

摘 要：文章對(duì)鋁合金基體材料熱處理工藝羽毛球拍桿綜合性能進(jìn)行研究;探究鋁合金基體復(fù)合材料熱處理中試驗(yàn)材料及四種不同熱處理機(jī)制實(shí)驗(yàn)要求;根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)羽毛球拍桿彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：羽毛球拍桿鋁合金基體材料熱處理時(shí)，應(yīng)選用雙極溶劑以及雙極時(shí)效對(duì)應(yīng)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行加工，其能有效提升羽毛球拍桿彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性。

關(guān)鍵詞：鋁合金基體材料;羽毛球拍桿;熱處理加工;綜合性能;實(shí)驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：TB333; TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）05-0061-04

Study on the Influence of Heat Treatment Technology of Aluminum Matrix Composite on the Performance of Badminton Racket Stick

Tian Yongzhou

（Xi an Traffic Engineering Institute，Xi an 710300， China）

Abstract：This paper studies the comprehensive performance of the badminton racket stick in heat treatment process of aluminum alloy matrix materials. To explore the experimental materials and the experimental requirements of four different heat treatment mechanisms in heat treatment of aluminum alloy matrix composites; According to the experimental results， the bending strength， damping property and wear resistance of badminton racket stick were analyzed and studied. The results show that when the aluminum alloy base material of the badminton racket shaft is heat treated， the bipolar solvent and the bipolar aging corresponding heat treatment process parameters should be used for processing， which can effectively improve the bending strength， damping property and wear resistance of badminton racket stick.

Key words：aluminum alloy matrix composites; badminton racket stick; heat treatment processing; comprehensive performance; experimental study.

0 引言

在逐漸流行的羽毛球運(yùn)動(dòng)中，羽毛球拍桿性能引起眾多關(guān)注。羽毛球拍桿自身綜合性能包括彎曲強(qiáng)度、抗磨損性以及阻尼性。增加羽毛球拍桿彎曲強(qiáng)度，羽毛球拍桿所受干擾度會(huì)隨之下降，繼而會(huì)使羽毛球拍桿更加堅(jiān)硬;反之，隨著羽毛球拍桿彎曲強(qiáng)度降低，羽毛球拍桿擾動(dòng)度增加，使得羽毛球拍桿較為柔軟。羽毛球拍桿阻尼性能得到改善，會(huì)使其能夠具備良好減震性能;反之，羽毛球拍桿減震性能會(huì)隨之下降。鈦合金、鋁合金基體復(fù)合材料、高彈性纖維碳素是制作羽毛球拍桿的主要原材料。鋁合金基體復(fù)合材料因其具備鋁合金基體、增強(qiáng)相特殊性能以及成本空間，使其能在羽毛球拍生產(chǎn)制作中廣泛運(yùn)用。

目前，關(guān)于熱處理加工技藝對(duì)羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料性能影響相關(guān)報(bào)道較少。因此，文章選用四種不同熱處理加工技藝對(duì)羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料進(jìn)行高溫加熱處理;探究熱處理工藝對(duì)羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨性的影響，旨在完善升級(jí)羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料的熱處理加工技藝，提升羽毛球拍桿綜合性能。

1 鋁基復(fù)合材料熱處理試驗(yàn)用料及測(cè)試方法

1.1 試驗(yàn)用料及熱加工處理技藝

首先，選取N2作為霧化氣體，通過噴射成形法準(zhǔn)備鋁合金基體復(fù)合材料趁沉積板;其次，在1200噸擠壓機(jī)上對(duì)沉積板進(jìn)行熱擠壓，同時(shí)將擠壓溫度設(shè)置為450℃，擠壓比例為10∶1，經(jīng)過熱擠壓處理過后的棒材直徑為1cm[1]。熱擠壓處理過后的羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料組成樣品如表1所示。熱擠壓羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料樣品熱加工技藝如表2所示。

1.2 鋁基復(fù)合材料熱處理試驗(yàn)方法

彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)：依據(jù)固定計(jì)算公式能夠得出羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料樣品的彎曲強(qiáng)度，計(jì)算公式見式（1）。

在式（1）中：EI表示為抗彎曲剛度;n表示為測(cè)試系統(tǒng)質(zhì)量;f 表示為測(cè)試系統(tǒng)固有頻率;q表示為測(cè)試系統(tǒng)跨度;π為常數(shù)[2]。阻尼性能是實(shí)驗(yàn)：利用“葛式扭擺”法對(duì)羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料中阻尼性能展開實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)操作中將加熱爐溫度上升速度調(diào)至2.0℃/min、實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)置為30～350℃、實(shí)驗(yàn)測(cè)試頻率在0.3～1.0Hz，對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)量的時(shí)間均小于35s。

檢驗(yàn)?zāi)p性能實(shí)驗(yàn)：在高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成對(duì)羽毛球拍桿鋁合金基體復(fù)合材料樣品中的抗磨損性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，將磨損機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度調(diào)至為300r/min、摩擦?xí)r間設(shè)定為15min、相對(duì)滑動(dòng)速度為10cm/min、測(cè)試溫度調(diào)至為正常室內(nèi)溫度。

2 鋁基復(fù)合材料熱處理試驗(yàn)結(jié)果及羽毛球拍桿

性能研究

2.1 羽毛球拍桿彎曲強(qiáng)度

羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料樣品的彎曲剛度依據(jù)公式（1）可計(jì)算獲得。羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料樣品在不同熱加工處理系統(tǒng)下的彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在4種各不相同的熱加工處理系統(tǒng)下，樣品的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)不同狀態(tài)[3-4]。當(dāng)樣品1經(jīng)過單級(jí)溶液與單級(jí)時(shí)效相對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其彎曲強(qiáng)度最差;當(dāng)樣品4經(jīng)過雙級(jí)溶液與雙級(jí)時(shí)效相對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)最佳狀態(tài);兩個(gè)樣品在不同熱加工處理參數(shù)測(cè)試相比之下，后者比前者的彎曲強(qiáng)度增加740GPa·mm4，同比增長13%?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果能夠得出：雙極溶液與雙極時(shí)效同時(shí)對(duì)羽毛球拍桿進(jìn)行熱加工處理，會(huì)明顯增強(qiáng)其彎曲強(qiáng)度。由此說明：將羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料放在雙極溶液與雙極時(shí)效對(duì)應(yīng)參數(shù)環(huán)境中進(jìn)行熱加工處理，最終達(dá)到羽毛球拍桿具備高抗彎強(qiáng)度的最終目的。

2.2 羽毛球拍桿阻尼性能

羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料在200℃、1.0Hz測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行樣品阻尼性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，4種樣品在4種不同熱加工處理機(jī)制下其呈現(xiàn)的阻尼性能截然不同[5]。當(dāng)樣品1經(jīng)過單級(jí)溶液與單級(jí)時(shí)效相對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其呈現(xiàn)的阻尼性能值最小;當(dāng)樣品4經(jīng)過雙級(jí)溶液與雙級(jí)時(shí)效相對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其所呈現(xiàn)的阻尼性能值最大。兩個(gè)樣品在不同熱加工處理參數(shù)測(cè)試相比之下，后者在經(jīng)過熱加工處理后其阻尼系數(shù)增加了7×10-3，同比增大60%。樣品的阻尼性能呈現(xiàn)較好狀態(tài)其所對(duì)應(yīng)的阻尼系數(shù)會(huì)越大，進(jìn)而使降噪減震效果達(dá)到最佳[6]。由上述實(shí)驗(yàn)得出：雙極溶液與雙極時(shí)效同時(shí)對(duì)羽毛球拍桿進(jìn)行熱加工處理，會(huì)明顯增強(qiáng)其阻尼性能。由此說明：將羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料放在雙極溶液與雙極時(shí)效對(duì)應(yīng)參數(shù)環(huán)境中進(jìn)行熱加工處理，最終達(dá)到羽毛球拍桿具備高阻尼性能的最終目的。

2.3 羽毛球拍桿抗磨損性

羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料樣品在不同熱加工處理系統(tǒng)下的抗磨損性試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，4種樣品在4種不同熱加工處理機(jī)制下其呈現(xiàn)的抗磨性截然不同。當(dāng)樣品1經(jīng)過單級(jí)溶液與單級(jí)時(shí)效相對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其磨損體積較大，呈現(xiàn)抗磨損性能較差;當(dāng)樣品4經(jīng)過雙級(jí)溶液與雙級(jí)時(shí)效相對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，其磨損體積較小，呈現(xiàn)抗磨損性能較好。兩個(gè)樣品在不同熱加工處理參數(shù)測(cè)試相比之下，后者在經(jīng)過熱加工處理后其磨損體體積減少了27×10-3，同比縮小54%[7]。由上述實(shí)驗(yàn)得出：雙極溶液與雙極時(shí)效同時(shí)對(duì)羽毛球拍桿進(jìn)行熱加工處理，會(huì)明顯增加其抗磨損性能。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，選用樣品被磨損體積越大，其抗磨損性能則相對(duì)較差;反之，選用樣品被磨損體積越小，其抗磨損性能則相對(duì)較好。由此說明：將羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料放在雙極溶液與雙極時(shí)效對(duì)應(yīng)參數(shù)環(huán)境中進(jìn)行熱加工處理，最終達(dá)到提升羽毛球拍桿抗磨損性能的最終目的。

2.4 試驗(yàn)討論與綜合性能分析

固溶體是指將物料通過高溫加熱處理后放入高溫相區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)完成恒溫加工，使物料內(nèi)部的過量相完全溶解于固溶體中，然后迅速冷卻，最終獲得過飽和固溶體;時(shí)效是指將材料放在固定溫度環(huán)境中進(jìn)行恒溫加工，從而使過度飽和溶液與第二相重新沉淀釋放。當(dāng)材料為兩階段固溶體時(shí)，第一階段在變形能量儲(chǔ)存推動(dòng)下，進(jìn)行低溫固溶處理，其主要目的是恢復(fù)與二次結(jié)晶的過程?；謴?fù)與二次結(jié)晶存在相互爭奪的競爭關(guān)系。二次結(jié)晶一旦產(chǎn)生，將不會(huì)出現(xiàn)恢復(fù)過程;恢復(fù)程度與二次結(jié)晶難度存在緊密關(guān)系[8]。在第一階段低溫固溶加工過程中，第一個(gè)發(fā)生溶解現(xiàn)象的是低熔點(diǎn)的共晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)將會(huì)使余留相的共晶溫度升高;在進(jìn)行第二階段的高溫固溶加工過程中，能夠有效避免單級(jí)固溶產(chǎn)生的高溫問題，從而加快粗共晶相在材料中的溶解速度、更不會(huì)發(fā)生過度燃燒現(xiàn)象，一定程度上提升樣品固溶率。

所以，單級(jí)溶液熱加工參數(shù)與雙極溶液熱加工參數(shù)相比，雙極溶液熱加工能夠有效優(yōu)化羽毛球拍杠鋁合金基體復(fù)合材料的內(nèi)部構(gòu)造，更易提升羽毛球拍桿的彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性能。羽毛球拍桿鋁合金基體材料在進(jìn)行時(shí)效加工處理時(shí)，第一及時(shí)效與單級(jí)時(shí)效相比，前者更能夠在材料基體中進(jìn)行充分飽作用，能夠在第二時(shí)效中能夠形成大量材料形狀核心，使材料沉淀后尺寸變小、分散度更高，使得鋁合金基體復(fù)合材料經(jīng)過雙效時(shí)效加工處理后其彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性明顯上升[9-10]。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)測(cè)試證明：羽毛球拍桿鋁合金基體材料熱處理時(shí)，應(yīng)選用雙極溶劑以及雙極時(shí)效對(duì)應(yīng)熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行加工，其能有效提升羽毛球拍桿彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性。

3 結(jié)語

（1）單級(jí)溶液熱加工參數(shù)與雙極溶液熱加工參數(shù)相比，羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料放在后者加工參數(shù)環(huán)境中，更易提升羽毛球拍桿的彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性能。

（2）單級(jí)時(shí)效熱加工參數(shù)與雙極時(shí)效熱加工參數(shù)相比，羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料放在后者加工參數(shù)環(huán)境中，更易提升羽毛球拍桿的彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性能。

（3）為有效提升羽毛球拍桿的彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性能，在選擇對(duì)羽毛球拍桿的鋁合金基體復(fù)合材料進(jìn)行熱加工處理中優(yōu)先選擇雙極溶液與雙極時(shí)效所對(duì)對(duì)應(yīng)的熱加工處理參數(shù)環(huán)境。其能夠有效提升羽毛球拍桿的彎曲強(qiáng)度、阻尼性能以及抗磨損性能。

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