高强高韧Zn-Mg基合金的组织及性能研究

作     者：李永昌 

作者单位：东北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任玉平

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Zn-Mg-Mn合金 反向热挤压 微观组织 力学性能 耐蚀性能 

摘      要：近年来随着对生物可降解金属材料研究的不断深入,Zn及Zn基合金以其适宜的降解速率、良好的生物相容性而逐渐受到人们的关注,并成为继Mg基合金和Fe基合金之后一种新型的生物可降解材料。鉴于纯Zn的力学性能较差,所以以Mg、Ca、Sr作为合金元素的经过变形处理的二元和三元Zn基合金相继被开发和研究,结果显示其力学性能较纯Zn有显著提高,但是仍不能满足植入材料对力学性能的要求,而且对于Zn基合金力学性能与微观组织之间关系的关注不足。因此本文在Zn-Mg合金的基础上,进一步添加元素Mn,并通过反向热挤压的方法制备出 Zn-xMg(x=0.5、1.0 wt.%)-yMn(y=0.1、0.3、0.5、1.0、1.5 wt.%)合金棒材,并通过EBSD、SEM、力学性能测试等多种方法,研究元素Mn对Zn-Mg基合金微观组织、力学性能及腐蚀行为的影响,从而为高强韧Zn基合金的设计、开发提供有参考意义的基础数据。所得实验结果主要如下:经过铸造、反挤压制备的Zn-Mg-Mn合金棒材形成了 Mg2Zn11和MnZn13两种第二相,在200℃反向热挤压过程中,第二相发生破碎并被拉长沿挤压方向呈条状分布,同时Zn基体晶粒发生了动态再结晶。第二相的存在阻碍了再结晶晶粒的长大,使得Zn-Mg-Mn合金相对于Zn-Mg合金基体晶粒得到了显著细化,其中 Mn元素对Zn-0.5Mg-xMn合金的细化作用较为明显,Zn-0.5Mg-1Mn合金平均晶粒尺寸最小为2.1 μm。同时挤压后Zn基体形成了较强的{0002}基面织构,较Zn-Mg合金相比添加Mn元素后织构强度减弱。Zn-0.5Mg-xMn合金的拉伸屈服强度和抗拉强度随Mn含量的增多而逐渐得到提升。由Zn-0.5Mg合金的221 MPa和279 MPa提升到Zn-0.5Mg-1.5Mn合金的 333 MPa和422 MPa。延伸率呈先增大后减小的趋势,其中Zn-0.5Mg-0.5Mn合金的延伸率最大为22.5%。压缩屈服强度随Mn含量的增多由Zn-0.5Mg合金的233 MPa提升到Zn-0.5Mg-1.5Mn合金的405 MPa。相比于同等条件下制备的纯Zn,Zn-Mg-Mn合金的拉压不对称性得到明显改善。蠕变测试表明,Mn可以明显提升Zn-Mg合金的抗蠕变性能,Zn-Mg-Mn合金的稳态蠕变速率较Zn-Mg合金降低了一个数量级。综上表明,在Zn-0.5Mg合金中添加元素Mn,通过细化晶粒、织构弱化及第二相强化,使得Zn-Mg-Mn合金实现强度和塑性的同时提升,达到了强韧化。其中Mn含量在0.5 wt.%-1.0 wt.%时,Zn-Mg-Mn合金具有最佳的强韧性。Zn-1Mg-xMn合金的拉伸屈服强度和抗拉强度随Mn含量的增多,也逐渐增大,由Zn-1Mg合金的 263 MPa和 332 MPa提升到Zn-1Mg-1Mn合金的317 MPa和403 MPa。延伸率却逐渐减小,由 Zn-1Mg合金的6.8%降低到Zn-1Mg-1Mn的1.7%,压缩屈服强度随Mn含量的增多,由Zn-1Mg合金的298 MPa提升到Zn-1Mg-1.5Mn合金的447 MPa,相比于同等条件下制备的纯Zn拉压不对称性得到改善。主要是由于硬脆第二相含量太高,虽然使强度得到了提升,但却使塑性急剧降低。37℃ SBF模拟体液浸泡实验表明,在Zn-0.5Mg合金中添加不同含量的Mn元素后,腐蚀速率降低。浸泡14天后,Zn-0.5Mg-xMn合金的腐蚀速率相近,均在0.05 mm/year左右,电化学实验显示,Zn-0.5Mg-xMn合金的腐蚀速率与模拟体液浸泡实验有相同的规律,进一步证实合金元素Mn的添加可以提高Zn-0.5Mg合金的耐蚀性。