Mn对Mg-Zn-Ca-Mn合金显微组织和力学性能的影响
庄 园， 于彦东， 裴 腾
【摘 要】摘 要:为了研究不同Mn含量对Mg－2Zn－0.5Ca－xMn新型医用镁合金显微组织和力学性能的影响，利用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和电子万能试验机分析Mg－2Zn－0.5CaxMn镁合金析出相、热挤压显微组织及力学性能.结果表明:铸态Mg－2Zn－0.5Ca－xMn合金组织主要由α－Mg基体组成，热处理前后第二相成分均为Mg0.97Zn0.03、MgZn2、Mg2Ca及Mn颗粒;Mn以单质形式弥散分布于基体内，细化铸态Mg－2Zn－0.5Ca－xMn合金晶粒，并且阻碍热挤压过程中动态再结晶晶粒长大，使晶粒尺寸随着Mn含量的增加而减小;随着Mn含量的增加，挤压态Mg－2Zn－0.5Ca－xMn合金强度逐渐增加，塑性有所降低.Mn质量分数为1.5%的合金抗拉强度最大，达245MPa;Mn质量分数为0.5%的合金断面收缩率和断后伸长率较大，分别为31%和12.5%. 【期刊名称】哈尔滨理工大学学报 【年(卷),期】2013(018)001 【总页数】6
【关键词】关键词:可降解镁合金;显微组织;热挤压;动态再结晶;力学性能 【文献来源】
https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-harbin-university-
science-technology_thesis/0201249561988.html
0 引言
目前，轻质结构材料在各领域受到广泛关注，高强度镁合金亦成为了研究的焦点［1］.镁具有可降解性及生物相容性，使其成为了短期植入材料的后备军，
现镁合金的研究焦点已转向可降解植入物的应用［2－3］.此外，由于高强度镁合金具有良好的机械特性，特别是杨氏弹性模量最为接近人骨，被尤为关注应用于骨固定材料［4］.并且，骨愈合后，镁植入材料无需取出，这样大大降低了病人和医疗结构的负担.然而，镁合金在人体内降解速度过快却限制了其临床应用.元素合金化是增强镁合金耐腐蚀性能和机械性能的有效措施之一.实际上，仅有一少部分元素可以被人体吸收并降低镁合金的降解速率，包括Ca、Mn、Zn 和非常少量的低毒性稀土元素［5］.
最近，HASSEL等［6］报道在 NaCl溶液中，钙元素可以提高镁合金的耐腐蚀性和力学性能.此外，钙元素是人骨的主要成分并能促进骨骼生长［7－8］.虽然Ca离子有益于骨愈合，但是Mg－Ca二元合金的拉伸强度和伸长率却降低了，并且合金的腐蚀抗性仍需进一步提高［9－10］.与钙元素相似，锌元素也是人体的必需元素［11］.然而，大量的锌元素是具有毒性的，实验证明在钙磷酸盐中加入Zn质量分数超过2%就会引起细胞中毒［12］.据报道，Mg－Zn－Ca系列合金具有很高的蠕变性能，SOMEKAWA和MUKAI［13］通过拉伸实验证实，由于晶粒细化、基体中存在球状析出物，使得其屈服强度提高，兼具良好的断裂韧性.锰是人体所需的健康元素，具有细化晶粒的作用并可以改进镁元素的抗拉强度［14］.
但是目前关于加入Mn元素提高生物医用镁合金性能和耐蚀性的具体质量比例还鲜见报道，因此有必要研制出合适的镁合金作为骨固定材料，使其得以广泛应用.本论文通过改变Mn元素的含量，系统研究Mn含量对新型Mg－2Zn－0.5Ca－xMn合金显微组织和力学性能的影响.
1 实验过程
1.1 合金的制备
本研究使用的Mg－2Zn－0.5Ca－xMn合金，由高纯镁（99.99%）、高纯锌（99.999%）、高纯钙（99.99%）及镁锰中间合金（MgMn10）在封闭式电阻炉中熔炼制得.熔铸时采用6.3kg容量的石墨坩埚并通以氩气气体保护，浇注温度为760℃，浇入预热至200℃的金属模具中.采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP）分析试验镁合金实际成分（质量分数），见表1. 1.2 合金的热处理
将熔铸得到的棒状试样去掉顶部缺陷较多部位后，置于热处理炉中并在石墨粉埋覆条件下进行固溶处理和时效处理（465℃ ×12 h+175℃ ×8 h），出炉后水淬.
1.3 挤压工艺
挤压前对经热处理的铸锭进行去皮处理.将模具与铸锭经短时间预热后，在挤压温度350℃，挤压比25:1，挤压速率0.1 mm/s条件下进行挤压，得到直径为8 mm的圆柱形棒材.
1.4 微观组织观察及力学性能测试
将试样进行切割，在水磨砂纸上逐级打磨试样，直至采用1500#砂纸为止，经抛光后用4%硝酸酒精溶液腐蚀.利用Leica DMIRM/DFC320金相显微镜进行金相观察.在附有能谱仪的LEO1530vp型扫描电子显微镜（SEM）上进行高倍显微组织观察，同时采用背散射电子成像（BSE）.利用D/max－rb旋转阳极X射线衍射仪进行X射线衍射分析（XRD），管压 40 kV，CuKα波长:1.5418 A. 力学性能试样为热挤压试样，采用圆截面棒状试样，标距30 mm，直径4 mm.室温下，在电子万能试验机上进行，拉伸速度为3 mm/min.结果取3个试样的
Mn对Mg-Zn-Ca-Mn合金显微组织和力学性能的影响
