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

【摘要】：鎂合金因?yàn)樵谏憝h(huán)境下可以降解,并具有良好的生物相容性和力學(xué)性能,成為新一代具有發(fā)展?jié)摿Φ纳锊牧稀５巧镦V合金在骨植入臨床應(yīng)用中存在兩個問題：強(qiáng)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(zhuǎn)是一種有效的細(xì)化晶粒的大塑性變形工藝,在常溫下可以連續(xù)的進(jìn)行加工,引入的剪切應(yīng)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(jìn)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(jié)構(gòu)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(jìn)行最高至5周次的高壓扭轉(zhuǎn)加工,隨后進(jìn)行退火處理,對高壓扭轉(zhuǎn)前后合金的微觀組織的演化、力學(xué)性能及模擬體液中的降解性能進(jìn)行研究。研究表明,高壓扭轉(zhuǎn)加工初期,Mg-Zn-Ca合金傾向以孿生的方式進(jìn)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(yīng)變的累積,位錯密度升高,并相互纏結(jié)形成位錯纏結(jié)區(qū)。然后,位錯纏結(jié)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(xì)化時起主導(dǎo)作用。加工后,Mg-Zn-Ca合金中晶粒的取向由(1010)和(1011)向(0002)轉(zhuǎn)變,形成了高壓扭轉(zhuǎn)特有的織構(gòu)。這種取向轉(zhuǎn)變,能夠?qū)ξ诲e的運(yùn)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(xì)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(guān)系。在晶粒形核時,這些第二相很容易充當(dāng)形核核心,有利于晶粒細(xì)化的進(jìn)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(shù)量最多,分布致密,均勻性最好。高壓扭轉(zhuǎn)加工后,生物Mg-Zn-Ca合金的強(qiáng)度和硬度值顯著的提高,這是位錯強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的共同作用。常溫下高壓扭轉(zhuǎn)加工引入大量位錯,位錯運(yùn)動產(chǎn)生較多的割階和不動位錯,阻礙位錯運(yùn)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(xì)化后晶界總面積的提高增大了合金的強(qiáng)度。此外位錯難以通過晶界而聚集晶界附近,也易于導(dǎo)致位錯塞積。第二相彌散析出,能夠釘扎晶界,且根據(jù)位錯與析出相的相互作用機(jī)制,考慮到析出相尺寸很小且與基體共格,位錯運(yùn)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(yùn)動。Mg-Zn-Ca合金的塑性隨著扭轉(zhuǎn)周次的增大先下降后升高,這是因?yàn)槌跏茧A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(xì)化的完成,塑性得到了恢復(fù)。固溶態(tài)Mg-Zn-Ca合金在210℃×30min退火處理后,析出強(qiáng)化的效果最顯著,細(xì)晶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化削弱,在硬度和強(qiáng)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(xué)性能優(yōu)良的Mg-Zn-Ca合金。納米壓痕結(jié)果顯示,隨著扭轉(zhuǎn)周次的增加Mg-Zn-Ca合金的彈性模量呈現(xiàn)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(zhuǎn)合金的表面應(yīng)力呈現(xiàn)中間低邊緣高的分布狀態(tài)。在5周次后,合金表面平均應(yīng)力值下降,這與動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。電化學(xué)測試和析氫測試表明,高壓扭轉(zhuǎn)Mg-Zn-Ca合金的降解速率隨扭轉(zhuǎn)周次的增加而降低。固溶態(tài)Mg-Zn-Ca合金在高壓扭轉(zhuǎn)5周次后降解產(chǎn)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(xiàn)出均勻降解的方式。當(dāng)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(nèi)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(zhuǎn)加工后,晶粒顯著細(xì)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(zhuǎn)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(qiáng)基體與降解產(chǎn)物層的結(jié)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(jìn)行降解,有利于降解產(chǎn)物的致密積累,能夠形成致密的、穩(wěn)固的且結(jié)合力好的降解產(chǎn)物層,起到保護(hù)基體的作用。退火處理后Mg-Zn-Ca合金的表面應(yīng)力下降,應(yīng)力腐蝕開裂的傾向減弱,降解速率降低。當(dāng)退火溫度為210℃時,高壓扭轉(zhuǎn)Mg-Zn-Ca合金的降解速率最小。細(xì)胞黏附結(jié)果表明,加工后合金的細(xì)胞黏附率隨扭轉(zhuǎn)周次的增大而提高。退火后黏附性進(jìn)一步的提高,在退火溫度為210℃時,Mg-Zn-Ca合金的細(xì)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(xì)胞的生存。此外,較少的氣泡析出對細(xì)胞在黏附時的影響較小綜上,通過預(yù)處理工藝、高壓扭轉(zhuǎn)加工和退火處理,可以得到超細(xì)晶生物Mg-Zn-Ca合金,且第二相致密均勻,其力學(xué)性能、降解性能和細(xì)胞相容性同時得到了提高。因此,可降解的高壓扭轉(zhuǎn)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(jié)果,成功應(yīng)用到骨植入臨床還需不斷努力。
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【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TG146.21;R318.08

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本文編號：1620878