本文選題：Mg-Zn-Ca合金　切入點：高壓扭轉　出處：《鄭州大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：鎂合金因為在生理環(huán)境下可以降解,并具有良好的生物相容性和力學性能,成為新一代具有發(fā)展?jié)摿Φ纳锊牧�。但是生物鎂合金在骨植入臨床應用中存在兩個問題：強韌性不足和降解速率較快。鎂合金的變形能力較差,常規(guī)塑性變形加工手段對微觀組織的改變有限,因此可以考慮采用大塑性變形工藝。高壓扭轉是一種有效的細化晶粒的大塑性變形工藝,在常溫下可以連續(xù)的進行加工,引入的剪切應變更大,在加工時試樣受到模具的作用,在類似靜水壓力的狀態(tài)下進行剪切變形,材料不易發(fā)生破裂,適合難變形的密排六方結構的金屬材料。本文選取Mg-2Zn-0.22Ca (wt%)合金作為研究對象,在常溫下進行最高至5周次的高壓扭轉加工,隨后進行退火處理,對高壓扭轉前后合金的微觀組織的演化、力學性能及模擬體液中的降解性能進行研究。研究表明,高壓扭轉加工初期,Mg-Zn-Ca合金傾向以孿生的方式進行塑性變形,為位錯滑移提供有利條件。在拉伸作用下初始等軸晶變?yōu)闂l狀晶粒,且晶界附近存在位錯線。隨著剪切應變的累積,位錯密度升高,并相互纏結形成位錯纏結區(qū)。然后,位錯纏結區(qū)逐漸由混亂錯排到有序的排列,位錯相互作用形成位錯胞或亞晶界。位錯分割在晶粒細化時起主導作用。加工后,Mg-Zn-Ca合金中晶粒的取向由(1010)和(1011)向(0002)轉變,形成了高壓扭轉特有的織構。這種取向轉變,能夠對位錯的運動提供有利條件。加工5周次后,鑄態(tài)、擠壓態(tài)和固溶態(tài)Mg-Zn-Ca合金的平均晶粒尺寸分別為99nm,151nm和94nm。鑄態(tài)Mg-Zn-Ca合金在加工后,沿晶分布的Ca2Mg6Zn3相發(fā)生物理斷裂,分布不均勻。擠壓態(tài)和固溶態(tài)合金在加工時,細小的第二相呈顆粒狀彌散析出。析出相為亞穩(wěn)定的Mg4Zn7相,與基體呈共格關系。在晶粒形核時,這些第二相很容易充當形核核心,有利于晶粒細化的進行。同時,第二相主要沿晶界析出,能夠釘扎住晶界,抑制晶粒的長大。固溶態(tài)合金中第二相還會自然時效析出,其第二相數量最多,分布致密,均勻性最好。高壓扭轉加工后,生物Mg-Zn-Ca合金的強度和硬度值顯著的提高,這是位錯強化、細晶強化和析出強化的共同作用。常溫下高壓扭轉加工引入大量位錯,位錯運動產生較多的割階和不動位錯,阻礙位錯運動,形成位錯塞積,加工硬化率較大。在多晶體中,晶界抵抗變形的能力較大,晶粒細化后晶界總面積的提高增大了合金的強度。此外位錯難以通過晶界而聚集晶界附近,也易于導致位錯塞積。第二相彌散析出,能夠釘扎晶界,且根據位錯與析出相的相互作用機制,考慮到析出相尺寸很小且與基體共格,位錯運動遇到析出的顆粒相切割而過,增大晶格的摩擦力阻礙位錯的運動。Mg-Zn-Ca合金的塑性隨著扭轉周次的增大先下降后升高,這是因為初始階段位錯的增多和沿晶析出的第二相抑制了合金的變形能力,塑性下降,隨著合金晶粒細化的完成,塑性得到了恢復。固溶態(tài)Mg-Zn-Ca合金在210℃×30min退火處理后,析出強化的效果最顯著,細晶強化和位錯強化削弱,在硬度和強度下降不多的情況下,硬度值徑向分布均勻性較好,塑性有明顯的改善,可獲得綜合力學性能優(yōu)良的Mg-Zn-Ca合金。納米壓痕結果顯示,隨著扭轉周次的增加Mg-Zn-Ca合金的彈性模量呈現先降低后升高的趨勢。晶粒取向和固溶程度是影響彈性模量變化的主因。高壓扭轉合金的表面應力呈現中間低邊緣高的分布狀態(tài)。在5周次后,合金表面平均應力值下降,這與動態(tài)回復和動態(tài)再結晶有關。電化學測試和析氫測試表明,高壓扭轉Mg-Zn-Ca合金的降解速率隨扭轉周次的增加而降低。固溶態(tài)Mg-Zn-Ca合金在高壓扭轉5周次后降解產物層具有較好的致密性,降解界面比較平整,沒有明顯的腐蝕坑,合金呈現出均勻降解的方式。當Mg-Zn-Ca合金與模擬體液接觸時,靠近第二相的基體和晶界優(yōu)先降解。在鑄態(tài)Mg-Zn-Ca合金中,由于晶粒尺寸大且第二相沿晶分布,在晶界附近的降解速率高于晶粒內部,合金表面的降解速率存在差異,易形成腐蝕坑。固溶態(tài)Mg-Zn-Ca合金在高壓扭轉加工后,晶粒顯著細化,第二相彌散析出分布均勻,優(yōu)先降解區(qū)域的面積大大增加,幾乎覆蓋了整個合金表面。高壓扭轉后的晶粒取向能夠提高合金的穩(wěn)定性,降低降解速率。而晶界密度的提高能夠增強基體與降解產物層的結合力。因此整個合金表面以相近的且較慢的降解速率同時進行降解,有利于降解產物的致密積累,能夠形成致密的、穩(wěn)固的且結合力好的降解產物層,起到保護基體的作用。退火處理后Mg-Zn-Ca合金的表面應力下降,應力腐蝕開裂的傾向減弱,降解速率降低。當退火溫度為210℃時,高壓扭轉Mg-Zn-Ca合金的降解速率最小。細胞黏附結果表明,加工后合金的細胞黏附率隨扭轉周次的增大而提高。退火后黏附性進一步的提高,在退火溫度為210℃時,Mg-Zn-Ca合金的細胞相容性最好。該狀態(tài)的Mg-Zn-Ca合金在降解速率比較慢,合金表面的離子濃度和pH的變化比較小,有利于細胞的生存。此外,較少的氣泡析出對細胞在黏附時的影響較小綜上,通過預處理工藝、高壓扭轉加工和退火處理,可以得到超細晶生物Mg-Zn-Ca合金,且第二相致密均勻,其力學性能、降解性能和細胞相容性同時得到了提高。因此,可降解的高壓扭轉Mg-Zn-Ca合金是一種發(fā)展前景良好的骨植入材料。本文的研究僅是初步的結果,成功應用到骨植入臨床還需不斷努力。
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【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21;R318.08

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本文編號：1620878