Влияние интенсивной пластической деформации на структуру и свойства сплава Zn–1%Li–2%Mg

Путем оптимизации параметров процессинга (давление, температура, степень деформации) найден режим интенсивной пластической деформации кручения (ИПДК), позволяющий сформировать в биоразлагаемом сплаве Zn–1%Li–2%Mg необычную микроструктуру, проявляющую уникальные физико-механические свойства. Так, после 10 оборотов ИПДК (степень накопленной деформации γ = 571), реализованной при температуре 150 °C и приложенном давлении 6 ГПа, сплав Zn–1%Li–2%Mg при испытаниях на растяжение продемонстрировал высокие показатели предела текучести (~385 МПа), предела прочности (~ 490 МПа) и пластичности (44 %). Для объяснения причин уникальных механических характеристик данного материала проанализирована его микроструктура методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа (РФА). Показано, что в сплаве в результате ИПДК формируется особая микроструктура, состоящая из чередующихся полос α-фазы Zn, смеси фаз Zn и ~LiZn₃, а также α-фазы Zn, содержащей частицы Mg₂Zn₁₁. Установлено, что при обработке ИПДК также реализуется процесс динамического старения, в результате которого в фазе ~LiZn₃ выпадают частицы Zn, а в фазе Zn – Mg₂Zn₁₁ и β-LiZn₄. При этом показано, что эти частицы по форме близки к сфере. Методом РФА также установлено, что при обработке ИПДК основной становится фаза Zn, в которой, по данным микроскопии, формируется ультрамелкозернистая (УМЗ) структура. Анализ механизмов упрочнения, основанный на полученных новых сведениях о микроструктуре, показал, что основными причинами повышения прочности и пластичности УМЗ-сплава Zn–1%Li–2%Mg являются воздействия дисперсионного, зернограничного и гетеродеформационного типов упрочнения, включая дислокационный тип.

1. Hernández-Escobar D., Champagne S., Yilmazer H., Dikici B., Boehlert C.J., Hermawan H. Current status and perspectives of zinc-based absorbable alloys for biomedical applications. Acta Materialia. 2019;(97):1—22. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.07.034

2. Huang S., Wang L., ZhengY., Qiao L., Yan Y. In vitro degradation behavior of novel Zn—Cu—Li alloys: Roles of alloy composition and rolling processing. Materials & Design. 2021;(212):110288. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110288

3. Li W., Dai Y., Zhang D., Lin J., Biodegradable Zn—0.5Li alloys with supersaturated solid solution-aging treatment for implant applications. Journal of Materials Research and Technology. 2023;(24):9292—9305. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.136

4. Yang L., Li X., Yang L., Zhu X., Wang M., Song Z., Liu H.H., Sun W., Dong R., Yue J. Effect of Mg contents on the microstructure, mechanical properties and cytocompatibility of degradable Zn—0.5Mn—xMg alloy. Journal of Functional Biomaterials. 2023;(14):195. https://doi.org/10.3390/jfb14040195

5. Ye L., Huang H., Sun C., Zhuo X., Dong Q., Liu H., Ju J., Xue F., Bai J., Jiang J. Effect of grain size and volume fraction of eutectic structure on mechanical properties and corrosion behavior of as-cast Zn—Mg binary alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2022;(16):1673—1685. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.12.101

6. Yuan W., Xia D., Wu S., Zheng Y., Guan, Z., Rau J.V. A review on current research status of the surface modification of Zn-based biodegradable metals. Bioactive Materials. 2022;(7):192—216. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.05.018

7. García-Mintegui C., Córdoba L.C., Buxadera-Palomero J., Marquina A., Jiménez-Piqué E., Ginebra M.P., Cortina J.L., Pegueroles M. Zn—Mg and Zn—Cu alloys for stenting applications: From nanoscale mechanical characterization to in vitro degradation and biocompatibility. Bioactive Materials. 2021;6(12):4430—4446. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.04.015

8. Tong X., Zhang D., Zhang X., Su Y., Shi Z., Wang K., Lin J., Li Y., Lin J., Wen C. Microstructure, mechanical properties, biocompatibility, and in vitro corrosion and degradation behavior of a new Zn—5Ge alloy for biodegradable implant materials. Acta Biomaterialia. 2018;(82):197—204. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.10.015

9. Yang H., Jia B., Zhang Z., Qu X., Li G., Lin W., Zhu D., Dai K., Zheng Y. Alloying design of biodegradable zinc as promising bone implants for load-bearing applications. Nature Communications. 2020;(11):401. https://doi.org/10.1038/s41467-019-14153-7

10. Li Zh., Shi Zh.-Zh., Hao Y., Li H., Zhang H., Liu X., Wang L.-N. Insight into role and mechanism of Li on the key aspects of biodegradable Zn—Li alloys: Microstructure evolution, mechanical properties, corrosion behavior and cytotoxicity. Materials Science and Engineering: C. 2020; (114):111049. https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111049

11. Ye L., Liu H., Sun C., Zhuo X., Ju J.; Xue F., Bai J., Jiang J., Xin Y. Achieving high strength, excellent ductility, and suitable biodegradability in a Zn—0.1Mg alloy using room-temperature ECAP. Journal of Alloys and Compounds. 2022;(926):166906. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166906

12. Zhao S., McNamara C.T., Bowen P.K., Verhun N., Braykovich J.P., Goldman J., Drelich J.W. Structural characteristics and in vitro biodegradation of a novel Zn—Li alloy prepared by induction melting and hot rolling. Metallurgical and Materials Transactions A. 2017;(48):1204—1215. https://doi.org/10.1007/s11661-016-3901-0

13. Liu H., Ye L., Ren K., Sun C., Zhuo X., Yan K., Ju J., Jiang J., Xue F., Bai J. Evolutions of CuZn5 and Mg2Zn11 phases during ECAP and their impact on mechanical properties of Zn—Cu—Mg alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2022;(21):5032—5044. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022.11.095

14. Huang H., Liu H., Wang L., Yan K., Li Y., Jiang J., Ma A., Xue F., Bai J. Revealing the effect of minor Ca and Sr additions on microstructure evolution and mechanical properties of Zn—0.6 Mg alloy during multi-pass equal channel angular pressing. Journal of Alloys and Compounds. 2020;(844):155923. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155923

15. Polenok M.V., Khafizova E.D., Islamgaliev R.K. Influence of severe plastic deformation on the mechanical properties of pure zinc. Frontier Materials & Technologies. 2022;(3—2):25—31. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-3-2-25-31

16. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progress Materials Science. 2000;45(2):103—189. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00007-9

17. Rietveld H.M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography. 1969;2(2):65—71. https://doi.org/10.1107/S0021889869006558

18. Pelton A. The Li—Zn (Lithium—Zinc) system. Journal of Phase Equilibria. 1991;(12):42—45. https://doi.org/10.1007/BF02663672

19. Liu S., Kent D., Doan N., Dargusch M., Wang G. Effects of deformation twinning on the mechanical properties of biodegradable Zn—Mg alloys. Bioactive Materials. 2018;4(1):8—16. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2018.11.001

20. Zhang Y., Yan Y., Xu X., Lu Y., Chen L., Li D., Dai Y., Kang Y., Yu K., Investigation on the microstructure, mechanical properties, in vitro degradation behavior and biocompatibility of newly developed Zn—0.8%Li—(Mg, Ag) alloys for guided bone regeneration. Materials Science and Engineering: C. 2019;(99):1021—1034. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.01.120

21. Shi Z.Z., Gao X.X., Zhang H.J., Liu X.F., Li H.Y., Zhou C., Yin Y.X., Wang L.N. Design biodegradable Zn alloys: Second phases and their significant influences on alloy properties. Bioactive Materials. 2020;5(2):210—218. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.02.010

22. Li Zh., Shi Zh.-Zh., Zhang H.-J., Li H.-F., Feng Y., Wang L.-N. Hierarchical microstructure and two-stage corrosion behavior of a high-performance near-eutectic Zn—Li alloy. Journal of Materials Research and Technology. 2021; 80:50—65. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2020.10.076

23. Sitdikov V.D., Kulyasova O.B., Sitdikova G.F., Islamgaliev R.K., Yufeng J. Structural-phase transformations in a Zn—Li—Mg alloy subjected to severe plastic deformation by torsion. Frontier Materials & Technologies. 2022;(3—2): 44—55. https://doi.org/10.18323/2782-4039-2022-3-2-44-55

24. Zhuo X., Wu Y., Ju J., Liu H., Jiang J., Hu Z., Bai J., Xue F. Recent progress of novel biodegradable zinc alloys: from the perspective of strengthening and toughening. Journal of Materials Research and Technology. 2022;(17):244—269. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2022

25. Demirtas M., Yanar H., Saray O., Pürçek G. Room temperature superplasticity in fine/ultrafine-grained Zn—Al alloys with different phase compositions. Defect and Diffusion Forum. 2018;(85):72—77. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ddf.385.72

26. Kumar P., Xu C., Langdon T.G. Mechanical characteristics of a Zn—22%Al alloy processed to very high strains by ECAP. Materials Science and Engineering A. 2006; (429): 324—328. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.05.044

27. Zhu Y.T., Wu X.L. Perspective on hetero-deformation induced (HDI) hardening and back stress. Materials Research Letters. 2019;(7): 393—398. https://doi.org/10.1080/21663831.2019.1616331