Cu含量對鋅合金組織與力學(xué)性能的影響

前言

鋅合金具有良好的生物相容性，在模擬體液中的降解速率比鎂基合金慢、比鐵基合金快，具有更適宜的降解速率，且作為人體內(nèi)最豐富的營養(yǎng)元素之一，幾乎參與機(jī)體內(nèi)所有的生理代謝過程，有望作為新一代可降解生物植入材料。但純鋅的力學(xué)性能較差，無法滿足植入體力學(xué)性能的要求。為此，常用合金化技術(shù)，在純鋅中添加諸如Mg、Cu、Ca、Sr 等元素，通過固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等作用提高純鋅的力學(xué)性能。

Cu對Zn基合金的力學(xué)性能強(qiáng)化效果明顯。Zn-Mg二元合金有良好的生物相容性和降解速率故在Zn-Mg二元合金的基礎(chǔ)上添加合金元素Cu，研究其是否能改善Zn-Mg二元合金的力學(xué)性能具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)樣品

為探究Cu元素對Zn-Mg 合金的作用，本文以合金化的方式在Zn-1.2Mg 二元合金的基礎(chǔ)上添加合金元素Cu，制備Zn-1.2Mg-xCu (x=0, 1.2, 2.2)合金。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

Cu 含量對鋅合金組織形貌的影響

對比圖1(a)、(c)、(e)所示合金金相組織，隨著Cu 添加量的增加，合金中粗大樹枝晶細(xì)化，離散的η-Zn 數(shù)量增加。

結(jié)合表1中元素能譜分析和圖2的XRD 圖譜可知，未添加Cu時(shí)，合金由η-Zn 和層片狀組織共晶體Mg2Zn11+η-Zn組成；添加1.2%Cu 時(shí)，η-Zn(含銅鋅固溶體)和共晶體Mg2Zn11+η-Zn 組成；當(dāng)Cu添加量增加到2.2%時(shí)，出現(xiàn)了CuZn5 化合物。

Cu 含量對鋅合金力學(xué)性能的影響

由圖3可以看出，隨著Cu元素的加入，鋅合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率顯著提高；

Cu 含量增加到2.2%時(shí)，鋅合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，為227 MPa；

鋅合金的顯微硬度由未添加Cu 時(shí)的125 HV 增加到2.2%Cu 時(shí)的148 HV.

力學(xué)性能的

增強(qiáng)原理分析

①溶質(zhì)原子Cu 的添加引起Zn晶格畸變，形成固溶強(qiáng)化效果。

②在凝固過程中，液相在425 ℃時(shí)，發(fā)生包晶反應(yīng)形成了初生第二相CuZn5。

其在發(fā)生塑性變形時(shí)，可引起位錯(cuò)纏結(jié)從而有效阻止位錯(cuò)移動(dòng)/滑動(dòng)，并且析出相和基體之間強(qiáng)大的鍵能結(jié)合力，釘扎位錯(cuò)起到強(qiáng)化效果。

③由于Cu 的合金化使得基體η-Zn 組織更加細(xì)化，形成更多的晶界數(shù)目，能有效地抑制基面位錯(cuò)滑移

拉伸測試的

斷口分析

由圖4觀察到，斷口形貌主要呈舌苔、河流狀，斷裂模式為穿晶斷裂和解理斷裂，為典型的脆性斷裂特征。隨著Cu 的加入，斷口表面由平直變成起伏，沿晶特征趨于明顯，還觀察到η-Zn 相斷口面積減小，數(shù)量增加。從圖4(d)中可看出，局部出現(xiàn)韌窩結(jié)構(gòu)，這有利于提高鋅合金的塑性，與圖3(a)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。