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镁合金腐蚀研究进展(76)—镁合金Mg-4Li-1Ca在微压应力下组织、力学性能和腐蚀行为演化

已有 1278 次阅读 2023-9-21 21:10 |个人分类:科研进展|系统分类:科研笔记

    生物医用镁合金作为骨植入材料,在承重部位不可避免地会承受机械应力和塑性变形。研究表明,在日常生活中,骨骼会受到压缩、拉伸、弯曲和其他形式的负荷,应力范围约为0.8至40 MPa。以往的研究主要集中在载荷条件下宏观腐蚀行为,特别是腐蚀产物膜的生成和破裂。然而,镁合金在微小压应力作用下的显微组织、腐蚀行为和力学性能的机理尚未得到深入研究。

    在这项工作中,我们构建了一种新型的静态负荷装置(图1)1来模拟骨植入物在人体中的生理负荷条件,深入探讨并揭示了外加微小压应力(0-6.0MPa)对Mg-4Li-1Ca合金组织、力学性能和降解行为的影响机理。

    由图2研究发现,在微压应力作用下,晶粒尺寸出现粗化现象,晶粒随应力增加而长大(图2f)。第二相体积分数沿挤压方向(ED)和晶界处增加。晶粒长大原因主要归因于以下两方面:一方面,Mg-4Li-1Ca合金受到外压应力刺激,内应力梯度刺激晶界迁移。而另一方面,Mg2Ca偏析产生的阻力可以延迟晶界的迁移,从而阻碍晶粒生长。

    图3和图4分别显示了挤压Mg-4Li-1Ca合金在微压应力下的反极图(inverse pole figure, IPF)和(0001)基面织构演化过程。如图3所示,反极图中并未观察到孪晶晶粒,而第二相处细颗粒的存在可能与颗粒刺激成核(particle stimulation nucleation , PSN)有关。挤压态Mg-4Li-1Ca合金表现出预期的强基底织构(图4)。织构强度的变化经历两个阶段。在0-3.0 MPa下,Mg合金晶体结构的c轴垂直于压缩加载方向,导致(0001)基底织构向ED旋转,织构强度降低且晶粒取向差异逐渐增大。随后,在4.5-6.0 MPa的微压应力下,(0001)基底取向旋转以适应变形,最大极性密度从25.12降低到19.02。

    在整个压缩加载过程中,位错可能会积聚并引起应力集中,导致晶界周围形成团簇并形成剪切带(图5)。α-Mg基体相和第二相Mg2Ca颗粒同时发生弹性变形,遵循胡克定律。但是,由于两者的弹性模量不同,导致应变程度不同。因此,在Mg2Ca处诱导应力集中。在4.5-6.0 MPa下,残余应力逐渐释放,这可能是由于样品再结晶晶粒异常生长所致。换句话说,晶粒粗化可以有效降低表面能,缓解应力集中。

   电化学(图6)和析氢测量表明(图7),在0-3.0 MPa压应力下腐蚀速率显著增加,这是由于第二相颗粒体积分数的增加和基体织构的减弱。然而,在4.5-6.0MPa下,致密的表面腐蚀产物膜迅速形成并作为有效的物理屏障(图8),有效抑制了腐蚀扩散,削弱了微观结构对腐蚀行为的影响。

    浸泡后样品力学性能(图9)表明,在0-3.0 MPa下,随着应力的增加,合金的拉伸性能包括最大抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和延伸率明显增大,并在3 MPa下屈服强度达到峰值(95.48 MPa)。位错堆积产生的应力集中提高了滑移所需的强度,这与在3 MPa下观察到的剪切带结构相对应。此外,Mg2Ca沉淀作为α-Mg基底中的硬颗粒,可作为位错运动的有效屏障。且随着应力的增加,晶格旋转会降低应力集中水平,最终导致YS降低。因此,沉淀强化和剪切带强化是主要的强化机制,并弥补了织构弱化导致的强度下降。在4.5-6.0 MPa下,弱基底织构更容易发生塑性变形,从而决定了力学响应。断裂类型逐渐由脆性断裂过渡到脆性和延性断裂的混合模式。

    这些发现有助于理解镁植入物在体内的降解过程,可为实际应用和基体性能调控提供理论参考。

  论文“Corrosion behavior and mechanical property of Mg-4Li-1Ca alloys under micro-compressive stress”发表在《J. Mater. Sci. Technol.》(175, 2024: 170-184)。第一作者为硕士研究生王媛媛,刘成宝博和曾荣昌教授为通讯作者,第一单位为山东科技大学。

  

图1 (a)挤压Mg-4Li-1Ca合金的样品方向和截面示意图; (b)自制静应力加载装置; (c)拉伸样品。