【摘 要】
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Zn及其合金具有良好的生物相容性和适宜的降解速率,通过合金化结合变形加工使得Zn合金力学性能有不同程度提升,但是目前制备的大部分Zn合金仍不满足医用可降解金属材料的力学性能要求。研究发现Mg、Mn元素合金化结合变形处理是制备高强度高塑性医用可降解Zn合金的一种有效方法。而且骨钉、缝合线以及心血管支架等植入器件都需要在原材料基础上进行挤压和拉拔,目前有关Zn合金拉拔工艺的研究较少,拉拔过程中微观组织
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Zn及其合金具有良好的生物相容性和适宜的降解速率,通过合金化结合变形加工使得Zn合金力学性能有不同程度提升,但是目前制备的大部分Zn合金仍不满足医用可降解金属材料的力学性能要求。研究发现Mg、Mn元素合金化结合变形处理是制备高强度高塑性医用可降解Zn合金的一种有效方法。而且骨钉、缝合线以及心血管支架等植入器件都需要在原材料基础上进行挤压和拉拔,目前有关Zn合金拉拔工艺的研究较少,拉拔过程中微观组织与力学性能演变规律有待进一步研究。因此,本文通过反向热挤压、室温拉拔制备了 Zn-0.1Mg-1Mn合金的棒材、线材,对合金的挤压工艺、拉拔工艺、微观组织以及力学性能之间的关系进行了研究。所得到的主要结果如下:随挤压温度从100 ℃升高至250℃,合金晶粒尺寸从1.27μm增大至4.28μm,织构类型从{0001}基面与ED挤压方向成~15°的非基面织构转变成{0001}基面平行ED挤压方向的基面织构,合金强度从401、440 MPa逐渐降低至336、386 MPa。不同挤压速度下合金均为{0001}基面与ED挤压方向成~15°的非基面织构,其中1 mm/s制备的合金棒材晶粒能细化至1.27 μm,具有优异的力学性能,0.2 mm/s制备的合金棒材晶粒尺寸稍增大至1.41 μm,强度降低至340、402 MPa,4 mm/s制备的合金棒材晶粒显著增大至2.86 μm,强度降低至324、362 MPa。综合来看,挤压温度为100℃、挤压速率为1 mm/s制备的合金棒材具有优异的力学性能,其屈服强度和抗拉强度高达401 MPa、440 MPa,延伸率为25%,较好的力学性能与平均晶粒尺寸为1.27 μm的细晶组织、弥散分布的细小MnZn13相以及非基面织构有关。挤压态合金在30 mm/s室温拉拔过程中存在明显的“加工软化”效应。拉拔过程中,平均晶粒尺寸从1.27 μm逐渐减小至0.53 μm,小角晶界数量和弥散分布的MnZn13相含量逐渐增加,拉拔初期形成大量{1012}孪晶,随后随累积应变量增加孪晶逐渐减少,在位错滑移与{1012}孪生共同作用下合金织构从{0001}基面与DD拉拔方向成~15°的再结晶非基面织构逐渐转变成<0001>‖DD拉拔方向的变形纤维织构。在织构、孪晶、第二相以及小角晶界的综合作用下,合金强度从401 MPa、440 MPa 降低至 293 MPa、373 MPa,延伸率从 25%升高至 42%。。在30 mm/s室温拉拔过程中,拉拔至51%累积应变量时需进行中间退火,退火制度为200℃-20 min,存在“退火硬化”现象。退火过程中发生了再结晶,小角晶界显著减少,晶粒尺寸从0.53 μm增大至1.36 μm,弥散分布的MnZn13相也在退火过程中溶解于Zn基体中。第二相、小角晶界以及晶粒尺寸变化可能导致合金屈服强度从293 MPa增至320 MPa,延伸率从42%降低至19%。退火态合金在30 mm/s室温拉拔过程中也存在“加工软化”现象,最终获得的Φ1.85 mm线材强度为288、354 MPa,延伸率为55%。退火态合金的强度为320、377 MPa,拉拔至30%变形量时合金强度为259、320 MPa,随后继续拉拔过程中合金强度稍有增加,至80%累积应变量时强度升高至288、354MPa。延伸率呈现相反的变化,退火态合金的延伸率为19%,累积应变量为30%时延伸率升高至57%,随后延伸率基本稳定在55~58%。在拉拔过程中晶粒尺寸逐渐减小,位错和小角晶界数量逐渐增加,至累积变形量为50%时开始发生室温动态再结晶,变形量越大再结晶程度越高,弥散分布的MnZn13相又逐渐增多,在位错滑移和再结晶的作用下合金织构从退火态织构逐渐转变成{0001}基面与DD拉拔方向成~15°的非基面织构。拉拔速度为70mm/s时,合金在拉拔过程中也存在“加工软化”、“退火硬化”现象,微观组织和力学性能演变规律与30 mm/s拉拔过程中基本相同。但是挤压态合金在70mm/s拉拔过程中,至累积应变量为30%时发生了再结晶长大,平均晶粒尺寸可达1.93 μm,强度降低至212、260 MPa,延伸率降低至18%。最终制备的Φ 1.85 mm线材的强度为250、315 MPa,延伸率为61%。
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