纯锌细丝挤压—拉拔变形与再结晶机理研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Lassie01
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自1878年应用镁线止血以来,可降解生物医用金属材料的研究相继在镁基、铁基和锌基合金展开,然而它们在体内的降解速率这一问题至今未得到妥善的解决,镁基合金降解速度过快,而铁基合金则过慢,因此,作为标准电极电位介于镁、铁之间的唯一生物相容性良好的金属,锌有望成为可降解生物医用金属材料的更优选择。本课题以纯锌为研究对象,在不同挤压温度(液氮温度、室温、100℃和200℃)及不同挤压比(8.3、25.0和累积208.6)下对纯锌进行挤压加工,选择坯料后室温拉拔制备出纯锌细丝。一方面,通过加工工艺调控锌的组织结构以期改善其机械性能,实现其在可吸收缝合线领域的应用,丰富锌在可降解生物医用金属材料领域的研究。另一方面,观察纯锌在挤压-拉拔过程中显微组织、织构、位错密度及力学性能的演变规律,探讨锌的塑性变形及再结晶机理。纯锌在上述挤压参数下具有良好的成形能力,且发生了动态再结晶,可将铸态毫米级的粗晶显著细化至微米级。挤压后纯锌形成了典型的{0001}<1010>基面织构,由于低温变形时,孪晶诱导再结晶晶粒形核有利于织构的随机化,故随挤压温度降低,其基面织构强度减弱。挤压后,纯锌强度明显提高,其中因基面织构引起的几何强化效应导致纯锌强度随晶粒尺寸的变化不符合Hall-Petch关系,其抗拉强度与抗压强度均随挤压比增大而升高,并表现出明显的拉压不对称性。由于变形过程中动态再结晶的持续发生以及晶界滑移参与变形,其内部位错密度仅略大于退火态金属,加工硬化能力极弱,但仍具有很高的塑性,孪晶有助于改善其加工硬化能力。其动态再结晶机制包括孪晶诱导动态再结晶、连续动态再结晶及不连续动态再结晶。除基面滑移外,{1012}孪晶是纯锌协调变形的重要方式,且在低温变形条件下及粗晶组织中更易发生。建立了挤压态纯锌拉伸条件下的本构方程,其变形激活能为75kJ/mol,仅为幂律蠕变激活能152kJ/mol的一半,扩散蠕变活性较强。随变形温度升高,其应变速率敏感性指数m增大,说明除基面滑移外,协调变形机制由孪晶逐渐转变为晶界滑移。选择了两种拉拔坯料,分别对其在平均单道次变形量为7.437%的条件下进行室温拉拔,均可成功制备出Φ0.30mm纯锌细丝。在整个拉拔过程中,纯锌晶粒均始终保持为等轴状,随累积变形量增加,平均晶粒尺寸均先增大后减小,拉拔至Φ1.80mm时,其平均晶粒尺寸最大可达128.4μm,约为其拉拔坯料的7倍。由于孪晶诱导动态再结晶晶粒形核及连续动态再结晶对织构的弱化作用,在拉拔过程中可出现非基面织构、晶粒随机取向的丝材。单道次小的变形有利于纯锌内部位错的积累。纯锌强度呈现一次下降-平台期-二次下降三个阶段,Φ0.30mm纯锌细丝抗拉强度仅有51MPa及50MPa。拉拔后纯锌塑性得到了极大改善,Φ0.90mm纯锌丝材伸长率均最大,分别为41.7%及46.5%。最终制备所得Φ0.30mm纯锌细丝均有良好的持结性能且结节稳定,满足手术缝合线对持结性能的要求。
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