机械研磨对医用Mg-6Al-2Ca合金表面组织和性能的影响

1、机械研磨对医用mg-6al-2ca合金表面 组织和性能的影响杨巍巍谢亚青张明王英江苏食品药品职业技术学院机电系 重庆交通大学机电与车辆工程学院苏州工业职业技术学院机电工程 系摘要：通过sem、表面性能分析和电子拉力试验等手段，研究了表面机械研磨处理对医 用mg-6al-2ca镁合金表面组织和力学性能的影响。结果表明：经表面机械研磨处 理后，合金表而晶体生长更为规则，其晶粒平均尺寸也越来越细化。随着表而机 械研磨时间的增加，合金表面粗糙度和显微硬度也随之增大，表面接触角随之 减小。表面机械研磨后，镁合金的拉伸强度和屈服强度增大，而塑性有所降低。 机械研磨45min后，合金的拉伸强度和屈服强度分别

2、增加了 29. 2%和44. 5%,伸 长率降低了 31.6%。镁合金断口以准解理断裂为主，撕裂棱和尺寸较小的空洞明 显增多，表面机械研磨处理时间增加，减小了韧窝数量。关键词：mg-6al-2ca合金; 机械研磨; 组织; 性能;作者简介：杨巍巍（1979-）,女，江苏启东人，硕士，主要研究方向为机械产 品制备与加工;电话e-mail: spdopasidiasj126. com收稿日期:2017-02-09effect of mechanical polishing on microstrueture and properties of medical mg-6al

3、2ca alloy surfaceyang weiwei xie yaqing zhang ming wang yindepartment of mechanjxand electrical, jiangsufood & phormaceutical science college; institute of electrical and mechanical and vehicle engineering, chongqing jiaotong university;department of mechanical and electrical engineering, suzhou

4、 vocational institute of industrial technology;abstract：by sem, surface properties characterization and surface electronic tensile testing and other methods, the effects of surface mechanical polishing t reatment on the microstructure and proper ties of medical mg-6 al2 ca al 1oy surface were studie

5、d. the resuits show that after surface mochanical polishing processing, the crystal growth of alloy surface is regular, the average grain size is becoming more and more refinecl with the extension of surface mechanical polishing time, the surface roughness and microhardness of the alloy surface incr

6、ease, and then the surface contact angle becomes smal1. after surface mechanical grinding, the tensilo strength and yield strcngth of the alloy increase, but the plasticity decreases. after surface mechanical polishing for 45 min, the tensile strength and yield strength of the alloy increase by 29.

7、2% and 44. 5%, respectively, and the elongation reduces by 31.6%. the fracture of magnesium alloy is given priority to quasi cleavage fracture, and the numbers of torn edges and smaller hole obviously increase. the increase of surface mechanical polishing processing time can reduce the numbers of to

8、ughening nests.keyword：mg-6/l-2ca alloy; mecha nical pol i shing; microstructure; proper ties;received： 2017-02-09表面机械研磨是一种用于制备纳米晶块体材料的方法。通过表面机械研磨处理使 金属基表面受到来自弹丸各个方向的撞击，从而导致金属基体表面发生明显塑 性变形，表面晶粒发牛细化，并且晶粒尺寸随基体厚度增大而增加11辺。这种 处理方法可有效改善材料的整体力学性能，同吋显著提升金属表面的耐摩擦性 能及其高低温强度，其表面也变得更加粗糙，并为原子扩散过程提供通道4-6o镁合金具有与人体

9、骨骼相近的力学性能，特别是在抗压与抗拉强度方面与人骨 非常接近，因此采用镁合金代替人体硬组织可有效地降低应力遮挡效应。同时， 镁合金在人体生理环境中还能进行自发降解，可以对人体或动物硬组织起到功 能修复效果，具有广阔的潜在应用前景7-8,特别是在替代受损硕组织及帮助 其修复方面具有明显的优势。韩宝军回研究了 az91d镁合金的表面晶粒细化机 制。结果显示对镁合金进行表面机械研磨处理造成晶粒细化是由位错滑移与李生 共同作用的结果。本文对通过表面机械研磨处理的mg-6al-2ca镁合金表面组织 进行了 sem观察以及表而性能分析，同时对其力学性能进行了测试，为提升镁 合金综合性能提供了参考。1试验

10、材料与方法本试验原材料是尺寸为70 mmx25 mmx 1 mm的mg-6al2ca镁合金轧制板，釆用 snc-1型金属表面纳米化试验机对板材表面进行机械研磨处理。设定仪器震动频 率为50hz,并在真空室温条件下对mg-6al-2ca镁合金轧制板进行表面机械研磨 处理，控制研磨时间分别为15、30、45 min,研磨处理完成后使用酒精清洗所 得板材作为备用。试样经过表面机械研磨处理后其表面粗糙度明显增加，检测仪器为美国布鲁克 3d光学轮廓仪k0型多侧头三维表面形貌仪。测试了腐蚀处理后的样品维氏显微 硬度。利用线切割机按照图1所示切割经表而机械研磨处理的样甜以及 mg-6al-2ca镁合金原始样

11、品，获得拉仲测试样品，之后使用dns-100型拉仲机 对试样进行静应力、应变测试，同时分析了研磨处理前后的样品拉伸断口 sem 形貌。图 1 拉伸样品的示意图(mm) fig. 1 schematic diagram of tens订e samples (mm)下载原图2试验结果与分析2.1显微组织分析图2为经过不同时间表面机械研磨处理得到的mg-6al-2ca镁合金sem形貌。可 发现，未经过表面机械研磨处理的试样表面出现了牛长方向不规则的晶体结构， 其平均晶粒尺寸是5. 48 umo对合金进行表面机械研磨处理后，表面晶体生长方 向趋于规则排列，并且平均晶粒尺寸出现了细化。对合金的表面机械研

12、磨处理时 间达到45min时，其晶粒平均尺寸为2. 18 u m,晶粒细化后材料表面的综合性能 得到了显著提升。图2不同表面机械研磨处理时间下mg-6al-2ca镁合金的sem图像fig. 2 sem images of mg-6al2ca alloy after different surface mechanical polishing treatment time 下载原图表1显示了经不同时间表面机械研磨处理得到的mg-6al-2ca镁合金表面特征参 数。可看到，当合金表面机械研磨处理时间增加后，其表面粗糙度出现了明显增 大的变化趋势。这些采用喷丸方式形成的粗糙面形成了不规则的凹坑排列形

13、貌， 从而对各个方向生成的界面裂纹扩展起到有效抑制作用。当表面机械研磨处理时 间继续增加后，试样显微硬度也相应增大。这是因为合金受表面机械研磨处理的 影响后，其表面层在弹丸碰撞下发牛了塑性变形，导致晶格扭曲并引起晶粒剪 切滑移，此吋晶粒被拉长形成纤维化结构，最终增加了表面层的硬度与强度。经 过15 min表面机械研磨处理得到的样品具有最大的接触角，z后随研磨处理时 间进一步增加后，试样表面接触角开始降低。这说明试样亲水能力随表面机械研 磨处理时间的增加而上升，使试样在后续化学处理时更易被溶液浸润。表1不同表面机械研磨处理时间下mg-6al-2ca镁合金表面特征参数tab. 1 surface

14、characteristic parameters of mg-6al2ca alloy after differenl surface mochanical polishing trcatment time卜载原表2. 2力学性能分析表2是mg-6al-2ca镁合金的力学性能测试结果。可看到，经表面机械研磨处理 得到的mg-6al-2ca镁合金的屈服强度与拉伸强度都増大，而伸长率开始降低， 并且当研磨时间进一步增加后，上述规律变得更加明显。相比未处理的，经表而 机械研磨处理45 min后，镁合金的屈服强度增加了 44. 5%,拉仲强度增加了29. 2%,而伸长率减少了 31. 6%。造成这一

15、现象的原因是材料发牛了应变强化。表 2 mg-6al2ca 合金的力学性能测试结果 tab. 2 mechanical properties test results of mg-6al2ca alloy下载原表图3显示了 mg-6al-2ca镁合金的拉伸断口形貌，取样部位都选择靠近表面机械 研磨处理的区域。镁合金的主要变形机制为晶内滑移。从断口形貌可发现，其解 理特征为准解理断裂，表现为脆性断裂，可观察到解理面上具有明显的河流状 花样，形成了较为平整的小平面。这些小平面以互和撕裂的方式连接在一起，同 时可看到小尺寸空洞与撕裂棱结构，解理块之间还掺有塑性韧贯。当表面机械研 磨处理吋间增加后，韧

16、窝尺寸、数量则出现了降低。表面机械研磨处理后的材料 对裂纹具有良好的抵御能力，这是因为细小的韧窝可导致韧窝边缘局部小区域 出现应力集中，从而使纳米晶材料具备更大的断裂强度。图3不同表面机械研磨处理时间下mg-6al-2ca镁合金的拉伸断口形貌fig. 3 tensi1e fracture morphologies of mg-6al-2ca alloy after surface mechanical polishing treatmcnt for different time下载原图3结论(1) 经过表面机械研磨处理之后，随处理时间的延长，其晶粒平均尺寸也越来 越细化。随着表面机械研磨处理时

17、间的延长，表面粗糙度和显微维氏硬度也随之 增大，表面接触角随之减小。(2) 经表面机械研磨处理后的镁合金拉仲强度和屈服强度增大，而仲长率有所 降低。表面机械研磨处理45min后合金拉伸强度和屈服强度分别增加了 29. 2%和 44. 5%,伸长率降低了 31. 6%。镁合金断口以准解理断裂为主，撕裂棱和尺寸较 小的空洞明显増多；表面机械研磨处理时间増加，减小了韧窝数量。参考文献1 李宝东，侯利锋，卫英慧，等表面机械研磨辅助ni3al在纯镁表面扩散行 为研究j热加工工艺,2013, 42 (22) : 108-110.2 俞燕明，饶锡新，刘勇，等有色金属及合金表面机械研磨处理的研究进展 j热加工工艺，2016, 45 (6) : 36-413 宋月鹏，刘自平，陈义祥，等机械研磨对316l不锈钢表面及其低温渗铝层 性能的影响j 材料热处理学报，2016 (6) : 204-2094 张西璐，杜华云，安艳丽，等表面机械研磨处理对az31表面电化学沉积梵 基磷灰石膜的影响j 材料热处理学报,2016 (8) :151-156.5 陈为为，何业东ti al合金表面机械研磨渗铝涂层的制备及高温性能j材 料热处理学