生物医用Mg-1.5Zn-0.5Zr-xSr合金制备与组织性能研究.pdf

摘要

摘要

随着我国老龄化现象加剧以及公众对医疗健康的日益关注，生物医用材料的需求

大幅度提高。镁合金因其具有优良的可降解性和生物相容性，成为最具潜力的生物医

用材料。然而，镁合金的密排六方结构使其在室温下的塑性加工性能较差，同时，镁

合金的降解速率过快且降解过程不可控，极大限制其在临床领域的广泛应用。

研究表明，合金化和热机械处理能够有效改善镁合金的耐蚀性并提高其力学性能。

因此，本文以Mg-1.5Zn-0.5Zr-xSr(x=0,0.2,0.5,1.0wt.%,ZK10-xSr)合金为研究对象，

探究Sr含量对合金组织与性能的影响；采用正挤压和挤压—剪切工艺对镁合金进行塑

性变形，探究两种工艺对合金微观组织、力学性能和耐蚀性的影响；探究挤压温度对

合金组织与性能的影响，并对具有最佳综合性能的合金进行热压缩实验，探究变形参

数对合金组织的影响，建立本构方程并绘制热加工图。主要内容及结果如下：

(1)对ZK10-xSr合金进行均匀化退火处理，采用微观组织表征、拉伸压缩试验以

及电化学试验等方法，探究Sr含量对均匀化态ZK10-xSr合金组织与性能的影响。结

果表明：Sr能够有效细化晶粒，合金的平均晶粒尺寸随Sr含量增加而减小。合金主要

由α-Mg基体、MgZn和MgSr组成，第二相主要分布在晶界处。抗拉强度和延伸率

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随Sr含量增加而降低。合金的腐蚀速率随Sr含量增加呈现出先减慢后加快的趋势，

其中，ZK10-0.5Sr合金的腐蚀速率最低，约为0.055±0.022mm/a。

(2)采用正挤压对ZK10-xSr合金进行塑性变形，探究其对合金晶粒、析出相、力学

性能和耐腐蚀性能的影响规律。结果表明：正挤压可以显著细化晶粒，但组织均匀性

较差。拉伸屈服强度和抗拉强度随Sr含量增加而升高，正挤压态合金表现出典型的强

基面织构，塑性较低。由于正挤压后晶界含量增多，且第二相分布不均，腐蚀易发生

在晶界处，合金腐蚀速率加快。

(3)为了进一步提高组织均匀性，调控合金织构，研究了挤压—剪切对合金微观组

织、织构演变、再结晶机制、力学性能和耐腐蚀性能的影响，对比分析了挤压—剪切

与正挤压工艺的差异，并揭示合金组织与性能提升的机理。结果表明：挤压—剪切能

够有效提升组织均匀性，平均晶粒尺寸细化至~2μm。(0001)基面与挤压方向呈一定角

度，基面织构弱化，多种滑移系被启动协调变形，合金塑性得到显著提升。ZK10-xSr

合金的耐蚀性随Sr含量增加逐渐提高，但过多Sr导致合金耐蚀性下降。其中，ZK10-

0.5Sr合金表现出较优的耐蚀性能，其平均腐蚀速率为0.377±0.047mm/a。

(4)挤压—剪切态ZK10-0.5Sr和ZK10-1.0Sr合金的综合性能满足可植入材料的标

准，通过改变挤压温度进一步探究其对合金组织与性能的影响。结果表明：合金平均

晶粒尺寸随挤压温度升高而增大。随温度升高，延伸率逐渐增大，而拉伸屈服强度和

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江苏科技大学工学硕士学位论文

抗拉强度逐渐降低。挤压温度为200℃时，ZK10-0.5Sr合金表现出较优异的力学性能

与耐腐蚀性能。

(5)采用热压缩实验探究变形参数对挤压—剪切态ZK10-0.5Sr合金组织的影响，并

确定其最佳加工参数范围。建立合金的本构方程并绘制热加工图，最终确定变形温度

为300℃~350℃，应变速率为0.05s-1~1s-1为该合金的最佳加工窗口，为后续生产加

工提供理论依据。

关键词Mg-Zn-Zr-Sr合金；挤压—剪切；微观组织；力学性能；腐蚀性能；热压缩

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