生物医用挤压Mg-Ag合金的微观组织和力学性能

论文概述

近年来，镁及其合金由于具有与人骨接近的密度和弹性模量等优点，在生物可降解植入材料领域受到越来越多的关注。然而，镁合金的强度较低和在生理环境下的不可控降解，限制了其广泛应用。在镁中固溶银(Ag)不仅可以提高材料的抗菌性和细胞相容性，并能对K562等肿瘤细胞产生细胞毒性，因此Mg-Ag系合金在生物医用领域极具潜力。Ag的原子半径比镁小，可能会影响镁的hcp晶体结构，改变晶格的c/a比值，导致其在变形过程中的变形机制发生变化，进而影响合金的力学行为。有研究表明，二元挤压Mg-Ag系合金在生理环境中的腐蚀速率较低。而关于固溶Ag对于镁银合金的微观组织演化和力学性能的影响尚未开展研究。

近日，来自德国Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG)镁创新中心的Björn Wiese博士等人通过对铸态Mg-2Ag、Mg-4Ag、Mg-6Ag三种二元合金固溶退火后进行挤压，研究了固溶在Mg中的Ag对合金微观组织演化和力学行为的影响。结果表明，Ag含量越高，挤压速度越快，合金挤压后的平均晶粒尺寸越大。Ag的固溶会降低合金的晶格参数和c/a比，促进合金的基面滑移和非基面滑移，提高合金沿挤压方向的拉伸性能，而压缩性能无明显变化。固溶Ag对拉伸屈服强度的强化作用比压缩屈服强度更明显。

研究了镁中固溶Ag含量对合金挤压后晶粒尺寸、织构和晶格参数的影响。Ag作为固溶强化元素，在合金挤压过程中，其含量越高，挤压速度越快，合金的挤压力越高，挤压热增加。这种材料的固溶强化和挤压速度的增加导致了合金挤压后平均晶粒尺寸增加。所有合金均表现出粗大的再结晶晶粒组织，平均晶粒尺寸随着挤压速度的增加而增大，尤其在银含量较高的合金中表现更为明显，如图1所示。而织构演化受影响较小，Mg-xAg合金表现出基面平行于挤压方向的典型织构。合金挤压后的晶格参数a和c的变化情况由X射线衍射实验获得，如图2所示。随着Ag含量的增加，a和c均降低，且c的降幅大于a的降幅，c/a轴比降低。

图1 合金的晶粒尺寸与挤压速度的关系

图2 晶格参数a、c、c/a比值与文献报导结果比较

研究了镁合金挤压后力学性能的变化情况。合金的晶粒尺寸、挤压速度与相关力学性能如表1所示。合金表现出明显的拉压屈服不对称性，压缩屈服强度总是显著低于拉伸屈服强度，这主要是由于合金在压缩过程中更容易激活{10-12}<10-11>拉伸孪晶所致。随着Ag含量的增加，由于c/a比值的降低促进了基面和非基面滑移，导致合金拉伸屈服强度增加。而在压缩试验中，由于受晶格影响较小的孪生占主导地位，因此压缩屈服强度随Ag含量增加变化不明显

表1 合金的力学性能与晶粒尺寸、挤压速度的关系

此外，还根据下方的公式研究了 Ag 的固溶强化对拉伸屈服强度、压缩屈服强度和硬度的影响，其中σy0 为纯金属的屈服强度， Z 为相关常数， G 为剪切模量， ε 为结合原子尺寸和剪切模量失配的参数，结果如图 3 所示。拉伸屈服强度约为压缩屈服强度的 4 倍， Ag 对拉伸屈服强度的强化效果是压缩屈服强度的 4 倍。这主要是由于在变形过程中变形机制存在差异，在拉伸过程中优先激活位错滑移，而在压缩过程中优先激活孪生。 Ag 对由滑移产生的固溶强化作用比孪生更明显。这一结果证实了镁合金的各向异性行为。由于硬度测量包括了冲击拉应力、压应力和剪应力的综合影响，银在固溶体中具有较强的硬化能力。

图3 根据Fleischer（n=1/2）和Labusch（n=2/3）对所有样品中Ag的固溶浓度C与拉伸屈服强度、压缩屈服强度和硬度进行线性拟合。

来源：  JMACCMg