Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca生物鎂合金組織和性能的影響

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca生物鎂合金組織和性能的影響ECAP對(duì)Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca生物鎂合金組織和性能的影響ECAP對(duì)Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca生物鎂合金組織和性能的影響材料成型及控制工程專業(yè) 李 杰指導(dǎo)教師 于彥東【摘 要】 本文首先制備了Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca鎂合金鑄錠，然后對(duì)鑄錠進(jìn)行均勻化退火處理，并對(duì)熱處理態(tài)試樣進(jìn)行ECAP擠壓。利用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)ECAP前后試樣的顯微組織進(jìn)行觀察；通過(guò)維氏硬度和拉伸性能測(cè)試對(duì)ECAP前后試樣進(jìn)行了力學(xué)性

2、能分析。結(jié)果表明：等通道擠壓能產(chǎn)生大剪切變形，可以很好的細(xì)化合金基體和第二相，平均晶粒度細(xì)化到3m，且晶粒大小均勻；此外，合金的強(qiáng)度、塑性都得到了較大的提高。從而制備出了具有超細(xì)晶的、高強(qiáng)韌性的新型Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca鎂合金?！娟P(guān) 鍵 詞】 Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca；均勻化退火；ECAP；顯微組織；力學(xué)性能 【Abstract】 Firstly, Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca magnesium alloy ingot were prepared, and then the ingots were homogeneous annealing treatmen

3、t, after that the heat treated sample processed by ECAP. Their microstructure was observed by optical microscopy and scanning electron microscopy; The mechanical of the Pre-ECAP and ECAPed were studied through the Vickers hardness and tensile properties test. The results show that: ECAP can produce

4、large shear deformation, the matrix and the second phase of the alloy were well refined, the average grain size refined to 3m, and the grain size was uniform; In addition, the tensile strength, ductility have been greatly improved, thereby, the new Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca magnesium alloy with ultrafine c

5、rystals, high strength and hardness was prepared.【Keywords】 Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca alloys; homogeneous annealing treatment; ECAP; microscopic structure; mechanical property1 引 言生物材料是指用于與生命系統(tǒng)接觸和發(fā)生相互作用，對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療和置換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。鎂及鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度和比剛度高，彈性模量接近人骨且鎂是可被人體吸收的常量元素等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)，鎂合金被廣泛的用于生物材料領(lǐng)域1。雖然鎂

6、合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是其密排六方的晶體結(jié)構(gòu)使其在常溫具有很低的塑性，因此限制了它的廣泛應(yīng)用。如何提高鎂合金的塑性變形能力已成為鎂合金研究的熱點(diǎn)。實(shí)踐證明細(xì)化晶?？筛纳奇V合金的塑性變形能力，等通道擠壓(ECAP)2是一種利用大剪切變形來(lái)細(xì)化材料組織的方法，可以獲得超細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)，為發(fā)展新材料和改善材料的綜合性能提供了有力條件。2 實(shí)驗(yàn)材料及過(guò)程實(shí)驗(yàn)材料選用自行設(shè)計(jì)新型鎂合金Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca。對(duì)Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金進(jìn)行熔煉，然后澆注成尺寸為45mm×200mm的鑄錠，在鑄錠芯部取樣，利用線切割和車削加工成25mm×90mm 的棒材，對(duì)棒材

7、進(jìn)行400×12h的均勻化退火處理3以此來(lái)獲得擠壓試樣。本文采用的等通道擠壓模具的內(nèi)、外交角為90°，通道直徑為25mm。在275下采用 BC (相鄰道次沿同一方向旋轉(zhuǎn)90°)路徑4對(duì)熱處理后的棒形鑄錠進(jìn)行無(wú)背壓的4 道次擠壓，擠壓工藝示意圖，如圖1所示。圖1 ECAP工藝示意圖3 ECAP前后顯微組織分析3.1 ECAP前顯微組織分析圖2 金相組織(a) 鑄態(tài)組織；(b) 均勻化后組織鑄態(tài)及均勻化退火的金相顯微組織如圖2所示。由圖2(a)可知，鑄態(tài)合金的平均晶粒度約為92m，可以觀察到在合金的晶界處，富集著大量的第二相。當(dāng)金屬或合金沿晶界析出連續(xù)或不連續(xù)的脆性相

8、時(shí)，在外力的作用下，這些脆性相將直接承受載荷，很易于破碎形成裂紋并使裂紋沿晶界擴(kuò)展，造成試樣沿晶界斷裂，因此需要對(duì)鑄態(tài)合金進(jìn)行均勻化退火處理，使其成分均勻。鑄態(tài)合金均勻化退火的工藝為400×12h，處理后的金相顯微組織如圖2(b)所示，從圖可看出，晶界上富集的溶質(zhì)元素大多都固溶到晶粒內(nèi)部，基本消除了鑄態(tài)合金的偏析現(xiàn)象，為后續(xù)的等通道擠壓做好組織鋪墊。3.2 ECAP后顯微組織組織分析圖3 為Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)四道次BC路徑ECAP變形后，試樣垂直于擠壓方向和平行于擠壓試樣的金相顯微組織，與鑄態(tài)組織相比，晶粒得到顯著細(xì)化，經(jīng)計(jì)算平均晶粒度已經(jīng)細(xì)化至3m，且在兩個(gè)

9、方向上晶粒尺寸基本一致，這是由于等通道擠壓是在不改變?cè)嚇訖M截面積的情況下通過(guò)產(chǎn)生純剪切變形，在擠壓變形過(guò)程中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶而使材料得到細(xì)化，從而得到較為均勻細(xì)小的組織。圖3 BC路徑四道次ECAP變形后Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金的金相組織(a) 垂直于擠壓方向；(b)平行于擠壓方向4 ECAP前后合金力學(xué)性能分析4.1 ECAP前后合金硬度分析Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)四道次ECAP擠壓后的維氏硬度值如表 1所示， Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)四道次擠壓后維氏硬度值為 51.2HV，較鑄態(tài)提高了29.7%，較熱處理態(tài)提高了21.0%，從中可以看出

10、經(jīng)過(guò)四道次ECAP擠壓后硬度得到顯著提高。表1 Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金ECAP前后試樣維氏硬度表試樣鑄態(tài)試樣熱處理態(tài)試樣ECAP后試樣硬度值/HV36.040.451.2Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金中的硬脆第二相，經(jīng)等通道擠壓破碎后得到細(xì)化的第二相組織，可以使合金硬度得到顯著提高。Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)過(guò)四道次的擠壓后，粗大的晶粒被破碎，組織被細(xì)化，這樣就可以使位錯(cuò)滑移受到較大的阻力，從而導(dǎo)致了合金硬度的增加。4.2 ECAP前后合金室溫拉伸性能分析對(duì)ECAP前后的試樣進(jìn)行室溫的拉伸性能測(cè)試，應(yīng)變速率為8.3×10-4s-1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果

11、如表2所示。表2 Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金ECAP前后試樣強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率試樣鑄態(tài)試樣熱處理試樣ECAP后試樣抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%斷面收縮率/%2381611.424011.76.73472320分析表可得Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)四道次擠壓后綜合力學(xué)性能得到較大的提高，抗拉強(qiáng)度從 240MPa 提高到 347MPa，延伸率從 11.7%提高到 23%。ECAP后材料的綜合力學(xué)性能得到顯著提高，根據(jù) Hall-Petch6 關(guān)系式知，材料的晶粒越小，強(qiáng)度越高；等通道擠壓通過(guò)產(chǎn)生大剪切變形來(lái)細(xì)化合金基體和第二相，經(jīng)過(guò)四道次擠壓后，合金的基體和第二相都得到顯著細(xì)化

12、，同時(shí)消除了合金組織缺陷，使第二相趨于彌散分布，從而提高合金強(qiáng)度和延伸率。4.3 ECAP前后合金拉伸斷口分析圖3為鑄態(tài)Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金拉伸斷口分析，斷口出現(xiàn)了明顯的冰糖狀斷口，為典型的沿晶脆性斷裂組織，由于晶界上富集著大量的第二相，導(dǎo)致變形過(guò)程中出現(xiàn)沿晶斷裂的現(xiàn)象,最終導(dǎo)致鑄態(tài)Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金的延伸率很低。圖3 鑄態(tài)Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金的拉伸斷口形貌圖4為Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)四道次擠壓后室溫拉伸斷口形貌，斷口主要由韌窩構(gòu)成，斷口韌窩分布均勻，為典型的韌性斷裂， 經(jīng)過(guò)BC路徑下的四道次的等通道擠壓后，Mg

13、-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金具有良好的塑性。圖4 ECAP后Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金的拉伸斷口形貌5 結(jié) 論本文對(duì)于所設(shè)計(jì)的Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca新型生物醫(yī)用鎂合金，研究了ECAP對(duì)合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，研究結(jié)果表明：1. 經(jīng)過(guò)BC路徑四道次ECAP變形后，Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金的顯微組織得到顯著細(xì)化，并且組織比較均勻，平均晶粒度達(dá)到3m。2. 對(duì)材料進(jìn)行ECAP變形后，由于試樣中存在的硬脆第二相被顯著破碎、細(xì)化，使得ECAP變形后的硬度得到顯著提高，維氏硬度值到達(dá)51.2HV，較鑄態(tài)提高了29.7%，較熱處理態(tài)提高了21.0%。

14、3. 經(jīng)過(guò)BC路徑四道次ECAP變形后，Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金的力學(xué)性能得到顯著提高，屈服強(qiáng)度達(dá)到235MPa，斷裂強(qiáng)度達(dá)到347MPa，伸長(zhǎng)率為23%，收縮率為20%，其力學(xué)性能滿足生物鎂合金的強(qiáng)韌性要求。4. Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金經(jīng)四道次擠壓后室溫拉伸斷口的形貌主要由韌窩構(gòu)成，斷口韌窩分布均勻，為典型的韌性斷裂， 說(shuō)明經(jīng)過(guò)BC路徑下的四道次的等通道擠壓后，Mg-2Zn-0.7Zr-0.5Ca合金具有良好的塑性。參 考 文 獻(xiàn)1袁廣銀，章曉波，牛佳林，等新型可降解生物醫(yī)用鎂合金JDBM的研究進(jìn)展J中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)2011，21(10)：247624772陳娜，趙小蓮等徑角擠壓工藝的研究進(jìn)展J材料導(dǎo)報(bào)，2012，26(8)：1241283艾秀蘭，楊軍，權(quán)高峰AZ31鎂合金鑄坯均勻化退火J金屬熱處理J2009，34(12)：23264陳振華鎂合金M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：2841905 Yamashita A,