1、 南 京 工 程 学 院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者： 学 号： 205100140 学院（系、部）： 材料工程学院 专 业： 材料科学与工程 题 目： 热处理和挤压对 Mg-Nd-Zn-Sr-Zr 生物镁合金组织和性能的影响 指导者： 评阅者： 2013 年 6 月 南京 I 毕业设计说明书（论文）中文摘要 热处理和挤压对 Mg-Nd-Zn-Sr-Zr 生物镁合金组织和性能的影响 采用重力铸造法制备了 Mg-2.51Nd-0.25Zn-0.1Sr-0.41Zr(质量分数， %)镁合金，对铸态 (F) 镁合金进行了固溶处理 (T4)、固溶 +人工时效 (T6)以及挤压 (E)。采用光学
2、显微镜 和扫描电镜 研究了 不同 状态下 Mg-2.51Nd-0.25Zn-0.1Sr-0.41Zr合金的显微组织，采用拉伸试验和显微硬度测试实验测试合金在室温下的力学性能，并且利用扫描电子显微镜观察了拉伸片的断口；采用析氢和失重实验测试合金在模拟体液中的生物腐蚀性能，并且利用扫描电子显微镜观察了腐蚀后合金的表面腐蚀形貌，采用电化学法测试了合金在模拟体液中的阻抗曲线和极化曲线。结果表明：固溶处理、挤压以及固溶 +人工时效处理均有助于提高合金的力学性能， E态合金综合力学性能最好，强 度硬度高，塑性好； T6态合金在模拟体液中的生物腐蚀性能最好，且 Mg-2.51Nd-0.25Zn-0.1Sr-
3、0.41Zr合金在模拟体液中的腐蚀方式为均匀腐蚀。 关键词 ：生物镁合金；模拟体液；力学性能；生物腐蚀性能；均匀腐蚀 II 毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title Effect of heat treatment and extrusion on microstructure and properties of Mg-Nd-Zn-Sr-Zr alloy Abstract: Mg-2.51Nd-0.25Zn-0.1Sr-0.41Zr(mass fraction, %) magnesium alloy was prepared by gravity casting. The as-cast m
4、agnesium alloy (F) was solution treated (T4)、 solution treated+aged (T6) and extruded (E). The microstructures of the alloy under various conditions were observed by optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). The mechanical properties of the alloy at room temperature were evaluated u
5、sing tensile and microhardness tests. The fracture of the alloy was observed by SEM. The biocorrosion properties of the alloy in simulated body fluid (SBF) were evaluated using hydrogen evolution and mass loss methods. The corrosion morphologies of the alloy after corrosion were observed by SEM. The
6、 impedance curves and polarization curves of the alloy in SBF were conducted by electrochemical method. The results show that solution treatment, extrusion and solution treatment+aging treatment can improve mechanical properties of the alloy. The as-extruded alloy has the best comprehensive mechanic
7、al properties, which shows high hardness and good ductility. The alloy under T6 has the best biocorrosion properties in SBF. Moreover, the corrosion mode of the Mg-2.51Nd-0.25Zn-0.1Sr-0.41Zr alloy in SBF is uniform corrosion. Keywords: Biodegradable magnesium alloy Simulated body fluid Mechanical pr
8、operties Biocorrosion properties Uniform corrosion 南京工程学院毕业设计说明书（论文） III 目 录 前 言 . 1 第一章 绪论 . 2 1.1 引言 . 2 1.2 镁和镁合金 . 2 1.2.1 镁和镁合金的特点 . 2 1.2.2 镁合金的分类 . 3 1.2.3 镁合金的组织与性能 . 4 1.3 镁及镁合金生物医用材料的研究现状 . 7 1.3.1 镁合金作为生物医用材料的特点 . 7 1.3.2 镁合金作为生物医用材料的研究现状 . 8 1.4 生物医用镁合金的潜在应用领域与存在的问题 . 9 1.4.1 潜在应用领域 . 9
9、1.4.2 生物医用镁合金存在的问题与解决途径 . 11 1.5 论文的研究目的和意义 . 12 第二章 材料、设备、工艺 . 13 2.1 材料制备 . 13 2.2 实验所用试剂及设备 . 14 2.3 实验方案 . 15 2.4 实验方法 . 15 2.4.1 试样制备 . 15 2.4.2 金相制样与组织观察 . 15 2.4.3 腐蚀实验 . 15 2.4.4 力学性能实验 . 18 2.4.5 扫描电镜分析 . 18 2.4.6 XRD 物相分析 . 18 第三章 合金组织、生物腐蚀性能和力学性能 . 19 3.1 物相分析与显微组织 . 19 3.1.1 物相分析 . 19 3.
10、1.2 显微 组织 . 19 南京工程学院毕业设计说明书（论文） IV 3.1.3 样品的 SEM 分析 . 20 3.2 室温力学性能 . 22 3.2.1 显微硬度 . 22 3.2.2 拉伸 性能 . 23 3.2.3 断口分析 . 24 3.3 生物腐蚀性能 . 25 3.3.1 浸泡实验 . 25 3.3.2 结果与分析 . 31 第四章 结论 . 33 参考文献 . 34 致 谢 . 36 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 1 前 言 生物镁合金作为医用材料 具有良好的生物相容性 和 优异的力学性能，特别是通过成分设计和组织调控，使该系列合金实 现了在 Cl-介质中的均匀腐蚀降解
11、，这使得生物医用镁合金的潜在应用领域很多，比如作为心血管支架材料、骨科材料、多孔骨组织 工程材料 等 ，成为研究热点 。 但是 镁合金作为生物医用材料还有很多不足，比如毒副作用、局部腐蚀、腐蚀速率太快等。因此，提高镁及其合金的腐蚀性能是其能否作为生物医用材料的关键环节。此外，镁的力学性能也较低，所以有必要采取相应的措施来控制其腐蚀速度，并提高其力学性能。与其它系列的镁合金相比， Mg-Nd-Zn-Zr生物镁合金具有良好的生物相容性。但其作为骨植入材料， Mg-Nd-Zn-Zr生物镁合金的 耐蚀性能和力学性能仍有待于进一步提高。 Sr元素可改善镁合金的力学和腐蚀性能，且对成骨细胞生长和增殖具有促
12、进作用。基于上述考虑，本研究在 Mg-Nd-Zn-Zr生物镁合金的基础上添加 Sr元素，通过挤压和适当的热处理使 Mg-Nd-Zn-Sr-Zr合金具有优异的强韧性、耐蚀性和均匀腐蚀性能。为生物医用镁合金的开发提供一定的基础。 本文分为四章，比较系统的研究了热处理和挤压对 Mg-Nd-Zn-Sr-Zr 合金组织和性能的影响。第一章为绪论，简要概述了国内外对生物镁合金的研究现状、本文的研究背景及意义，在此基础上提出了一 些改进镁合金性能的措施；第二章为实验表征方法以及实验过程，详细介绍了本次试验的材料、设备、试验方法；第三章为结果与分析，全面处理了实验数据，分析了镁合金的组织与性能；第四章为结论，
13、在讨论与分析的基础上得出了可靠的结论。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 2 第一章 绪论 1.1 引言 金属镁及其合金是目前工业上应用的最轻的金属结构材料。它们被广泛的应用于航空、航天、汽车、计算机、通讯和家电等行业。采用镁合金用来制作汽车和飞机零件时，可大大减轻重量，降低燃油消耗；采用镁合金制造手机、笔记本电脑和一些家用电器的外壳时，能显著增强产品的 散热能力和抗震能力，并能有效地减轻对人体和周围环境的电磁辐射。镁合金是继钢铁和铝合金之后发展起来的第三类金属结构材料，并被称之为 21 世纪的绿色工程材料。随着很多金属矿产资源的日益枯竭，镁以其资源丰富而日益受到重视，特别是结构轻量化技术及
14、环保问题的需求更加刺激了镁工业的发展。目前，镁及镁合金材料 特别是生物镁合金 的研究已成为世界性的热点。 生物镁合金作为医用材料 具有良好的生物相容性 和 优异的力学性能，特别是通过成分设计和组织调控，使该系列合金实现了在 Cl-介质中的均匀腐蚀降解，这使得生物医用镁合金的潜在应用领域很 多，比如作为心血管支架材料、作为骨科材料、多孔镁作为新型骨组织等。 1.2 镁和镁合金 1.2.1 镁和镁合金的特点 在元素周期表中，镁的原子序数为 12，属 IIA族碱土金属。纯镁的密度 1.738 g/cm3（ 293 K），只有铝的 2/3，铁的 1/4，其相对原子质量为 24.3050，原子直径为 3
15、.2010-10 m，纯度为 99.98%时，动态弹性模量为 44 GPa，静态弹性模量为 40 GPa1。标准大气压下镁的晶体结构为密排六方，室温下镁晶格常数的理论估计值为 a=0.32092 nm，c=0.52105 nm， c/a=1.6236，几乎是理想的紧密堆积。镁的标准电极电位为 -2.37 V，比铝（ -1.71 V）低，是电负性很强的金属，在潮湿大气、海水、无机酸及其盐类介质中均会发生剧烈的腐蚀。虽然镁在室温下很容易被空气氧化生成一层很薄的氧化膜，但这种薄膜多孔疏松，脆性较大，不如铝及铝合金的氧化膜坚实致密，因此镁耐蚀性也很差。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 3 纯镁的优
16、点很多，但是力学性能较低，因此应用范围受到很大限制。通过在纯镁中添加化学元素，可显著改善镁的物理、化学和力学性能。与铝、钛及工程塑料等轻质材料相比，镁及镁合金具有以下优点：密度小 、质量轻、比强度、比刚度高，吸震阻尼性能好，铸造性能良好，尺寸稳定性高，切削加工性能优良，电磁屏蔽性好，散热性高，可再生。但同时镁及镁合金也有一些缺点：易燃，耐蚀性差，高温强度特别是高温抗蠕变性能较差。 1.2.2 镁合金的分类 按成形工艺，镁合金可分为铸造镁合金和变形镁合金，两者在成分、组织性能上存在很大的差异。铸造镁合金主要用于汽车零件、机电壳罩和电器构件等。镁合金的铸造方法有砂型铸造、金属型铸造、挤压铸造、低压
17、铸造、高压铸造和熔模铸造等。变形镁合金主要用于薄板、挤压件和锻件等。国内铸造镁合金一般按合金 系列分为 2：镁 -铝系： ZM5， ZM10；镁 -锌 -锆系： ZM1， ZM2， ZM7；镁 -稀土 -锆系：ZM3， ZM4， ZM6。 镁合金按化学成分可分为二元、三元或多元合金系。国际上大多采用美国 ASTM 标准，依据镁合金所含的 1-2 种主要合金元素简写命名法，将镁合金分为 M 系（ Mg-Mn）、 AZ 系（ Mg-Al-Zn）、 AM 系（ Mg-Al-Mn）， Mg-Al-Ca 系（ AX）、 Mg-Al-Ca-Sr 系 (AXJ)、 ZC 系 (Mg-Zn-Cu)、 ZK 系
18、（ Mg-Zn-Zr）、 EK 系 (Mg-RE-Zr)、 HM 系（ Mg-Th-Mn）、 QE 系 (Mg-Ag-RE)、 LA 系 (Mg-Li-Al)和 WE 系（ Mg-Y-Nd）等，镁合金的大致分类如图 1-1 所示。 图 1-1 镁合金的分类 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 4 1.2.3 镁合金的组织与性能 1.2.3.1 热处理对镁合金组织与性能的影响 大多数镁合金在实际结晶过程中存在晶内成分不均匀现象，为了减少或消除这种现象，使合金中溶质浓度趋于均匀化，改善合金的使用性能，常对其进行固溶处理（ T4）。镁合金经过固溶处理不进行人工时效（ T4）可以提高合金的韧性和抗冲击
19、性。由于镁合金中合金元素的扩散较慢，因而需要较长的加热时间 以确保强化相充分固溶。变形镁合金固溶时间最短，其次是薄壁铸件或金属型铸件，砂型厚壁铸件的固溶时间最长。张大华 3等对镁合金固溶处理后发现，合金中的第二相逐渐溶解，组织更加均匀，合金的力学性能得到提高。 Mg-Al-Zn合金经过固溶处理后 Mg17Al12相溶解到基体镁中，合金性能在一定程度上得到了的改善。如 AZ91、 AZ80镁合金经过适当时间的固溶处理后， -Mg-Al12相几乎完全溶解到 -Mg相中，镁合金的力学性能发生了较大的变化。 固溶处理后人工时效（ T6）通常可以提高镁合金的屈服点，但会降低部分塑性，这种工艺主要应用于
20、Mg-Al-Zn和 Mg-Re-Zr合金。进行 T6处理时，固溶处理获得的过饱和固溶体在人工时效过程中发生分解并析出第二相。时效析出过程和析出相的特点十分复杂，它受合金系、时效温度以及添加元素的综合影响。 Mg-Al-Zn三元合金是在 Mg-Al系合金中加入 Zn形成的，如 AZ91、 AZ31等。 1.2.3.2 变形对镁合金组织与性能的影响 变形对镁合金的组织和性能有很大的影响，镁合金在铸造后往往通过热变形方式细化晶粒、改善合金的组织结构、改善材料的强度和塑性来提高合金的力学性能。与铸造镁合金相比， 变形镁合金的综合力学性能优异。经过塑性变形的镁合金 ,比铸造材料具有更多样化的力学性能和更
21、广泛的用途 ,但是密排六方晶体结构的镁合金属于难变形金属，许多因素对其塑性变形能力及变形后合金性能有很大影响，因此 ,研究和开发变形镁合金具有重要的实用意义。滑移和孪生是常见的镁合金的塑性变形方式，常见的变形加工工艺有挤压（一次挤压、二次挤压、往复挤压、等通道角挤压）、轧制、拉拔等。 （ 1）一次挤压对镁合金组织与性能的影响 在室温下镁合金表现出有限的需要高温处理的可成形性。低成形性是因为具有南京工程学院毕业设计说明书（论文） 5 有限的活性滑移系数量的镁在中等温度 下具有密排六方晶体结构的结果。因其技术和经济优势以及生产范围广的能力，对镁合金来说挤压是一个关键的热处理方法。挤压可细化镁合金的
22、组织，提高力学性能和耐蚀性能，采用挤压技术加工镁合金具有许多突出的优点 :降低原材料的消耗 ;与切削加工相比生产率可大幅度提高 ; 零件的力学性能好 ; 在挤压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密。挤压使得合金变形更加充分，得到的组织更均匀、晶粒尺寸较细，因此挤压变形的综合性能好。 张利军 4等人以铸态镁合金 AZ80为研究对象，首先对其进行均匀化热处理，然后在不同温度、不同变形量的条件下进 行压缩、挤压变形。对各状态的微观组织及力学性能进行测试，发现通过压缩、挤压变形后，试样微观组织中均发生了动态再结晶，晶粒较变形前明显细化。结合试样的力学性能和微观组织，最佳的变形温度是 360 到 390
23、左右，变形量越大，其变形后的性能越好。 （ 2）二次挤压对镁合金组织与性能的影响 一次挤压很难获得细小均匀的组织，其力学和耐蚀性能均不能最优化。研究表明 5，二次挤压可改善镁合金组织和性能，在不同挤压条件下经一次挤压的镁合金组织不均匀，由粗大的被拉长晶粒和细小的再结晶晶粒组成 ; 经过二次挤压后，被拉长的晶粒基 本消除，晶粒细小均匀。 5等研究了二次挤压对一次挤压的 Mg-Nd-Zn-Zr生物镁合金显微组织和力学性能的影响。结果表明，一次挤压后合金发生了部分动态再结晶，组织不均匀，由细小等轴的动态再结晶晶粒和粗大被拉长晶粒组成 ; 而二次挤压后，合金发生了完全动态再结晶，组织细小均匀。室温力学
24、性能测试结果表明，当一次挤压工艺不是优化工艺时，二次挤压可明显提高合金的强度和伸长率 ; 当一次挤压工艺为优化后的工艺时，二次挤压使合金强度稍有降低，但伸长率大幅提高。一次挤压合金的断裂方式为河流状解理断裂和韧窝状韧 性断裂的混合断裂，而二次挤压合金的断裂方式为韧窝状韧性断裂。 （ 3）往复挤压对镁合金组织与性能的影响 往复挤压对镁合金具有强烈的细化能力，往复挤压温度、往复挤压道次以及第二相均对镁合金组织与性能有重要影响。随着道次的增加，往复挤压镁合金晶粒逐渐细化，组织均匀性增加，小角度晶界有减小的趋势，平均位向差有增加的趋势。往复挤压对数量少、细小的第二相粒子具有细化和重新分布的作用，使第二相粒子
