热变形Zn-xLi合金微观组织及力学性能调控

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近些年来,医用金属材料由于其综合力学性能优良且容易加工成形而得到广泛关注以及大量应用。然而传统医用金属材料具有共性问题,即无法降解,需二次手术取出,给患者造成二次伤害。而之后发展出的可降解医用金属材料中,铁基医用材料降解速率太慢,镁基医用金属材料降解速率又过快,均无法很好地满足相关医用材料的要求。而锌基医用金属材料独特的电极电位优势,使得其降解速率非常适宜。但是要将锌基医用金属材料实际应用面临着最大的问题,就是综合力学性能较差,无法满足医用植入材料的相关要求。因此,本文主要采用添加Li元素合金化以及反向挤压变形对Zn合金微观组织与综合力学性能进行调控。通过金相组织观察、SEM组织观察、XRD分析、EBSD组织观察以及室温拉伸检测等手段,分别研究了 Li元素含量对于铸态与挤压态Zn-xLi(x=0、0.3、0.6、0.9、1.5 mass%)合金相结构、晶粒组织以及综合力学性能影响,主要得到以下结论:(1)当Li含量在0-0.9 mass%范围时,其在铸态合金中主要以β-Zn4Li相的形式存在,当增大至1.5 mass%,Li元素存在形式除了 β-Zn4Li相以外还包括α-Zn4Li相。并且Li含量不同,第二相形貌与分布差别较大。当Li含量为0.6mass%时,β-Zn4Li相主要以不连续骨骼状形式存在于晶界处,少量分布在晶粒内部。当Li含量为0.9 mass%时,β-Zn4Li相主要与η-Zn相组成复杂的规则结构共晶组织。而当Li含量达到1.5 mass%时,其主要形成α-Zn4Li相,该相与η-Zn相以细密层片状共析组织的形式存在合金内部。(2)随着Li元素含量的增加,铸态合金强度逐渐增大,而塑性一直保持在较低水平。铸态纯Zn抗拉强度与延伸率分别为15.1 MPa和0.15%,当Li元素含量增大到为1.5 mass%时,合金抗拉强度达到122.1 MPa,延伸率为0.21%。其主要原因是由于随着Li元素的添加,合金微观组织发生细化所带来的细晶强化效应以及形成第二相β-Zn4Li以及α-Zn4Li相所带来的第二相强化效应。(3)反向挤压变形后的Zn-xLi合金中相结构发生明显转变,主要由η-Zn、α-Zn4Li和β-Zn4Li相组成。随着Li元素含量的变化,第二相形貌与体积分数也随之发生明显变化。在低Li含量时,如0.3,0.6和0.9 mass%时,合金中第二相主要以棒状和不规则块状存在,而当其提高至1.5 mass%时,合金中第二相则转变为紧密排布的层片状共析组织存在。(4)纯Z n在反向挤压变形过程中发生动态再结晶,再结晶晶粒比例为8 5.8%,平均晶粒尺寸为29.60 μm,晶界类型主要为大角度晶界,而织构类型为非基面织构。当Li元素含量增大至1.5 mass%时,再结晶比例降低至39.7%,晶界以小角度晶界为主,织构转变为基面织构,并且其强度较大。这主要是由于当添加Li元素之后,合金内部形成大量第二相,其对位错、小角度晶界以及大角度晶界起到强烈的钉扎作用,延缓了动态再结晶,促进了合金内部的动态回复,使得合金内部再结晶比例随之下降,小角度晶界比例逐渐升高,平均晶粒尺寸不断减小,同时织构类型转变为了基面织构。(5)随着Li元素含量的不断增加,挤压态合金抗拉强度随之逐渐增大,而延伸率则呈现出先下降后上升的趋势。挤压态纯Zn抗拉强度仅为111.2MPa,延伸率为49.6%。当添加0.3 mass%Li元素时,合金抗拉强度增大至258.5 MPa,延伸率降低为9.0%。当Li元素含量增大至1.5 mass%时,合金抗拉强度与延伸率均最高,分别达到597.3 MPa和41.5%。主要强化机制为:大小角度晶界带来的晶界强化、α-Zn4Li与β-Zn4Li相带来的第二相强化与基面织构带来的织构强化。
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