高壓扭轉(zhuǎn)下生物Mg-Zn-Ca合金的組織演變及其在模擬體液中的腐蝕性能研究.pdf

1、鎂及鎂合金以良好的生物相容性、可降解性以及與人體骨骼具有的相近彈性模量使得其在骨植入材料上獲得廣泛關注的同時，力學性能較低和腐蝕速率過快的問題逐漸成為限制其臨床應用的主要因素。本文采用高壓扭轉(zhuǎn)工藝對純Mg及Mg-Zn-Ca合金進行加工，采用OM、SEM&EDS、TEM&SAED、XRD、顯微硬度測定、電化學測試、析氫測試和浸泡實驗等方法，研究了高壓扭轉(zhuǎn)前后Mg及Mg-Zn-Ca合金顯微組織、力學性能和腐蝕性能的變化，在對鎂合金在高壓扭轉(zhuǎn)

2、過程中的組織演變和硬化機理進行分析的同時初步探討了變形后其在模擬體液中的降解機理。
　　研究結果表明:高壓扭轉(zhuǎn)前后純Mg及Mg-Zn-Ca合金的物相結構并無變化，Mg-Zn-Ca合金在加工前后均由α-Mg和MgZn相組成，但在MgZn相顆粒的分布上由高壓扭轉(zhuǎn)前的沿晶界分布轉(zhuǎn)變?yōu)樵阪V基體中的均勻彌散分布，且二者在晶體取向上均傾向于向(0002)取向轉(zhuǎn)變，從而為變形過程中位錯的滑移提供有利條件。相比于高壓扭轉(zhuǎn)前～11μm的晶粒尺寸，M

3、g-Zn-Ca合金加工后的晶粒得到顯著細化，但由于沿試樣直徑方向上累積剪切應變的梯度變化使得較低扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下試樣中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的組織存在一定差異。
　　當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N=1轉(zhuǎn)時，相比于試樣邊緣區(qū)域平均晶粒尺寸為～150nm的亞晶組織，中心區(qū)域則由位錯纏結形成的位錯胞組成;此后隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大，中心和邊緣區(qū)域組織的差異逐漸減小，組織的均勻性逐漸提高，當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增大到N=5轉(zhuǎn)時即可得到平均晶粒尺寸為～130nm的均勻超細晶組織。但由于純

4、鎂加工前～5mm的粗大晶粒導致高壓扭轉(zhuǎn)后其晶粒細化不完全，當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N=5轉(zhuǎn)時得到由位錯胞與最小尺寸為～1.5μm的亞晶所組成的混合組織。通過對不同扭轉(zhuǎn)圈數(shù)下合金的組織演變分析，純Mg及Mg-Zn-Ca合金的形變晶粒細化主要是由于在剪切應變作用下，晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的位錯分割和孿生破碎的交互作用所導致。
　　維氏顯微硬度測定表明當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N=1轉(zhuǎn)時，高壓扭轉(zhuǎn)后Mg及Mg-Zn-Ca合金的硬度值在直徑方向上均呈現(xiàn)隨距離試樣中心位置距離的增

5、大而先增大后減小最后趨于穩(wěn)定的趨勢，此時純Mg的硬度值由加工前27HV提高到37HV，而Mg-Zn-Ca合金的硬度值則由49.8HV提高到112HV左右（提高約124％）。此后隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大，試樣中心區(qū)域硬度值較低的區(qū)域逐漸減小使得其與邊緣區(qū)域的硬度值趨于相同，當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N=5轉(zhuǎn)時，純Mg及Mg-Zn-Ca合金經(jīng)過高壓扭轉(zhuǎn)后均可得到較為均勻的硬度值分布。
　　結合合金試樣上累積剪切應變量的分析可知，在加工硬化和回復軟化的交互作用

6、下，二者的硬度值均隨累積剪切應變的增大而呈現(xiàn)先增大，達到峰值后略有降低并維持在一個穩(wěn)定硬度值的趨勢，其中對純鎂而言其峰值硬度值和穩(wěn)定硬度值所對應的累積剪切應變分別為εeq=18和30，而Mg-Zn-Ca合金所對應的累積剪切應變則為εeq=27和42，二者的顯著差別主要是由于合金化元素的添加形成的第二相顆粒等對變形過程中位錯滑移的阻礙作用所導致。
　　電化學測試以及析氫測試結果均表明高壓扭轉(zhuǎn)后純鎂的自腐蝕電位略有向正向偏移，而自腐蝕

7、電流密度的增大、電化學阻抗值的降低以及析氫速率的顯著增大均表明純鎂在高壓扭轉(zhuǎn)后其在模擬體液中的腐蝕降解加快，經(jīng)過N=5轉(zhuǎn)高壓扭轉(zhuǎn)后純鎂的Icorr由3.798E-05A·cm-2增大到9.692E-05A·cm-2，同時其腐蝕產(chǎn)物層的疏松和多裂紋的現(xiàn)象等均表明加工后純鎂的生物耐腐蝕性能下降。
　　對Mg-Zn-Ca合金而言，高壓扭轉(zhuǎn)后其自腐蝕電位正向偏移，且其自腐蝕電流密度以及析氫速率均隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大而降低，當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)N=5轉(zhuǎn)時

8、，Mg-Zn-Ca合金的Icorr由1.719E-04A·cm-2降低到2.187E-05A·cm-2，電化學阻抗值的增大進一步表明了合金的生物耐腐蝕性能隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大而顯著提高。高壓扭轉(zhuǎn)后Mg-Zn-Ca合金在模擬體液中浸泡時，隨浸泡時間的延長腐蝕產(chǎn)物在基體表面逐漸累積而形成均勻致密的腐蝕產(chǎn)物層，從而可以起到一定的覆蓋保護作用以延緩基體的進一步腐蝕，且隨扭轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大試樣表面的腐蝕形貌更加均勻致密。當扭轉(zhuǎn)圈數(shù)增大到N=5轉(zhuǎn)時，合金試