Влияние термической обработки на структуру и свойства магниевого сплава МА20, подвергнутого интенсивной пластической деформации

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Медицина считается одним из наиболее перспективных направлений использования магниевых сплавов. Их ключевыми преимуществами являются биорезорбируемость и относительно низкий модуль упругости, сопоставимый с модулем упругости кортикальной кости человека (до 30 ГПа). Для медицинских приложений наиболее перспективны биосовместимые сплавы системы Mg-Zn-Zr-Сe (МА20). Ввиду их невысоких механических свойств требуют дальнейшего развития вопросы, связанные с разработкой методов интенсивной пластической деформации (ИПД) для формирования ультрамелкозернистого (УМЗ) состояния в объемных заготовках сплава Mg-Zn-Zr-Сe с целью получения оптимальных функциональных свойств. Для анализа условий формирования высокопрочного состояния УМЗ-сплавов необходимо учитывать различные механизмы упрочнения, включая и хорошо известные, связанные с влиянием УМЗ-структур. Актуальными также являются вопросы по выявлению механизмов деформации и деформационного упрочнения магниевых сплавов, подвергнутых ИПД. Цель работы: установление механизмов деформационного упрочнения и влияния термообработки на структуру и свойства магниевого сплава МА20 после комбинированной ИПД. Методы исследования. Объектом исследования являлся сплав МА20 в УМЗ-состоянии (масс. %: Mg – 98,0; Zn – 1,3; Ce – 0,1; Zr – 0,1, O – 0,5). УМЗ-состояние в сплаве получали методом ИПД, который включал в себя abc-прессование и последующую многоходовую прокатку в ручьевых валках. С целью исследования влияния отжигов на микроструктуру и механические свойства сплава образцы отжигали при температурах 200, 250, 300 и 500 °С в течение 24 часов на воздухе. Микроструктуру и фазовый состав образцов исследовали с помощью оптической и просвечивающей электронной микроскопии. Результаты и обсуждение. Установлено, что применение к образцам сплава МА20 комбинированного метода интенсивной пластической деформации, который состоит из 3аbс-прессования и последующей многоходовой прокатки, приводит к формированию УМЗ-структуры со средним размером зерна около 1 мкм. Достигается значительное повышение условного предела текучести σ0,2 до 250 МПа и временного предела прочности σB до 270 МПа при одновременном снижении относительного удлинения до 3 %. Установлено, что отжиг при 200 °C сохраняет УМЗ-состояние в сплаве МА20 и способствует увеличению пластичности на 100 %, уменьшению σ0,2 на 8 %, σВ – на 4 % по сравнению с исходным УМЗ-состоянием (без отжига). Выводы. Выявлено, что наибольший вклад в упрочнение УМЗ-магниевого сплава МА20 вносят зернограничный (σзер = 202 МПа) и дислокационный (σдис = 69 МПа) механизмы упрочнения. Для магниевого сплава в УМЗ- и мелкокристаллическом (МК) состояниях выявлен интервал размера зерен 1…7 мкм, соответствующий резкому росту интенсивности изменения рассчитанных вкладов дислокационного, зернограничного и общего упрочнений (dσдис/dd, dσзер/dd, dσобщ/dd) и плотности дислокаций dρ/dd. Для крупнокристаллического (КК) состояния сплава в интервале размеров зерен 7…40 мкм наблюдается стабилизация указанных параметров.

Об авторах

Никита Андреевич Лугинин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Email: nikishek90@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-6504-8193
SPIN-код: 3820-6600
Scopus Author ID: 57220996127
ResearcherId: AAG-8084-2021

инженер

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4; 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30

Анна Юрьевна Ерошенко

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: eroshenko@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-8812-9287
SPIN-код: 4097-7039
Scopus Author ID: 36010424600
ResearcherId: H-2204-2017

канд. техн. наук

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Константин Александрович Просолов

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: Konstprosolov@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-2176-8636
SPIN-код: 5978-3685
Scopus Author ID: 57201271975
ResearcherId: F-3259-2018
https://www.researchgate.net/profile/Konstantin-Prosolov

канд. физ.-мат. наук

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Маргарита Андреевна Химич

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: khimich@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-5859-7418
SPIN-код: 2785-2322
Scopus Author ID: 56433266500
ResearcherId: O-2420-2017
https://www.researchgate.net/profile/Margarita-Khimich

канд. техн. наук

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Иван Александрович Глухов

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: gia@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-5557-5950
SPIN-код: 4584-1195
Scopus Author ID: 56439284200
ResearcherId: E-5075-2014

главный специалист

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Александр Олегович Панфилов

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: alexpl@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-8648-0743
SPIN-код: 7100-8529
Scopus Author ID: 57218921552
ResearcherId: AAT-3367-2021

м.н.с.

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Алексей Иванович Толмачев

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: tolmach@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-4669-8478
SPIN-код: 6362-0479
Scopus Author ID: 54894882600
ResearcherId: AAG-8118-2021

главный специалист

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Павел Викторович Уваркин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: uvarkin@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-1169-3765
SPIN-код: 4944-4711
Scopus Author ID: 55308247200

ведущий технолог

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Александр Даниилович Кашин

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН

Email: kash@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0003-1860-3654
SPIN-код: 8374-9172
Scopus Author ID: 56487345300
ResearcherId: AAQ-3793-2021

инженер

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4

Юрий Петрович Шаркеев

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sharkeev@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-5037-245X
SPIN-код: 1844-5410
Scopus Author ID: 7003598948
ResearcherId: E-5116-2014
https://www.researchgate.net/profile/Yurii-Sharkeev

доктор физ.-мат. наук, профессор

Россия, 634055, Россия, г. Томск, Академический проспект, 2/4; 634050, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30

Список литературы

  1. Effect of heat treatment and deformation temperature on the mechanical properties of ECAP processed ZK60 magnesium alloy / Y. Yuan, A. Ma, X. Gou, J. Jiang, G. Arhin, D. Song, H. Liu // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 677. – P. 125–132. – doi: 10.1016/j.msea.2016.09.037.
  2. Grain growth and Hall-Petch relationship in a refractory HfNbTaZrTi high-entropy alloy / S. Chen, K.-K. Tseng, Y. Tong, W. Li, C.-W. Tsai, J.-W. Yeh, P.K. Liaw // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 795. – P. 19–26. – doi: 10.1016/j.jallcom.2019.04.291.
  3. Ultra-fine grain size and exceptionally high strength in dilute Mg–Ca alloys achieved by conventional one-step extrusion / H. Pan, C. Yang, Y. Yang, Y. Dai, D. Zhou, L. Chai, Q. Huang, Q. Yang, S. Liu, Y. Ren, G. Qin // Materials Letters. – 2019. – Vol. 237. – P. 65–68. – doi: 10.1016/j.matlet.2018.11.080.
  4. Ultrafine grained Mg-Zn-Ca-Mn alloy with simultaneously improved strength and ductility processed by equal channel angular pressing / L.B. Tong, J.H. Chu, Z.H. Jiang, S. Kamado, M.Y. Zheng // Journal of Alloys and Compounds. – 2019. – Vol. 785. – P. 410–421. – doi: 10.1016/j.jallcom.2019.01.181.
  5. Effect of element Ce on the strain rate sensitivity of Mg-Zn-Zr alloy / C. Xu, Z. Wang, L. Zhou, F. Wang, Z. Wei, P. Mao // Journal of Magnesium and Alloys. – 2025. – Vol. 13 (8). – P. 4005–4019. – doi: 10.1016/j.jma.2025.04.017.
  6. Microstructures, mechanical and corrosion properties and biocompatibility of as extruded Mg–Mn–Zn–Nd alloys for biomedical applications / Y.-L. Zhou, Y. Li, D.-M. Luo, Y. Ding, P. Hodgson // Materials Science and Engineering: C. – 2015. – Vol. 49. – P. 93–100. – doi: 10.1016/j.msec.2014.12.057.
  7. Plastic deformation behaviors of a Mg–Ce–Zn–Zr alloy / K. Yu, W. Li, J. Zhao, Z. Ma, R. Wang // Scripta Materialia. – 2003. – Vol. 48 (9). – P. 1319–1323. – doi: 10.1016/S1359-6462(03)00046-0.
  8. In vitro and in vivo study on fine-grained Mg–Zn–RE–Zr alloy as a biodegradeable orthopedic implant produced by friction stir processing / V.C. Shunmugasamy, M. AbdelGawad, M.U. Sohail, T. Ibrahim, T. Khan, T.D. Seers, B. Mansoor // Bioactive Materials. – 2023. – Vol. 28. – P. 448–466. – doi: 10.1016/j.bioactmat.2023.06.010.
  9. Volkova E.F. Some regular features of formation of phase composition in a magnesium alloy of the Mg – Zn – Zr – Y system // Metal Science and Heat Treatment. – 2014. – Vol. 55 (9–10). – P. 477–482. – doi: 10.1007/s11041-014-9657-5.
  10. Structure and mechanical properties of the Mg-Y-Gd-Zr alloy after high pressure torsion / S.V. Dobatkin, L.L. Rokhlin, E.A. Lukyanova, M.Y. Murashkin, T.V. Dobatkina, N.Y. Tabachkova // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 667. – P. 217–223. – doi: 10.1016/j.msea.2016.05.003.
  11. Evolution of mechanical properties of LAE442 magnesium alloy processed by extrusion and ECAP / P. Minárik, R. Král, J. Pešicka, F. Chmelík // Journal of Materials Research and Technology. – 2015. – Vol. 4 (1). – P. 75–78. – doi: 10.1016/j.jmrt.2014.10.012.
  12. Effect of deformation processing of the dilute Mg-1Zn-0.2Ca alloy on the mechanical properties and corrosion rate in a simulated body fluid / D. Merson, A. Brilevsky, P. Myagkikh, M. Markushev, A. Vinogradov // Letters on Materials. – 2020. – Vol. 10 (2). – P. 217–222. – doi: 10.22226/2410-3535-2020-2-217-222.
  13. Alloying design and microstructural control strategies towards developing Mg alloys with enhanced ductility / Z.-Z. Jin, M. Zha, S.-Q. Wang, S.-C. Wang, C. Wang, H.-L. Jia, H.-Y. Wang // Journal of Magnesium and Alloys. – 2022. – Vol. 10 (5). – P. 1191–1206. – doi: 10.1016/j.jma.2022.04.002.
  14. Nie J.-F. Precipitation and hardening in magnesium alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2012. – Vol. 43 (11). – P. 3891–3939. – doi: 10.1007/s11661-012-1217-2.
  15. Thermally activated nature of basal and prismatic slip in mg and its alloys / M.A. Shabana, J.J. Bhattacharyya, M. Niewczas, S.R. Agnew // Magnesium Technology 2021. – Cham: Springer, 2021. P. 53–60. – doi: 10.1007/978-3-030-65528-0_9.
  16. Yue Y., Wang J., Nie J.-F. Twin-solute, twin-dislocation and twin-twin interactions in magnesium // Journal of Magnesium and Alloys. – 2023. – Vol. 11 (10). – P. 3427–3462. – doi: 10.1016/j.jma.2023.07.015.
  17. Effects of deformation twins on microstructure evolution, mechanical properties and corrosion behaviors in magnesium alloys – A review / L. Li, W. Liu, F. Qi, D. Wu, Z. Zhang // Journal of Magnesium and Alloys. – 2022. – Vol. 10 (9). – P. 2334–2353. – doi: 10.1016/j.jma.2022.09.003.
  18. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation // Progress in Materials Science. – 2000. – Vol. 45 (2). – P. 103–189. – doi: 10.1016/S0079-6425(99)00007-9.
  19. Plastic deformation of nanostructured materials / A.M. Glezer, E.V. Kozlov, N.A. Koneva, N.A. Popova, I.A. Kurzina. – CRC Press, 2017. – ISBN 9781315111964.
  20. Влияние предварительной деформации на формирование ультрамелкозернистой структуры при РКУП-обработке магниевых сплавов / А.В. Боткин, Р.З. Валиев, Е.П. Волкова, Г.Д. Худододова, R. Ebrahimi // Физическая мезомеханика. – 2024. – Т. 27, № 4. – С. 63–72. – doi: 10.55652/1683-805X_2024_27_4_63-72.
  21. The effect of rotary swaging on the structure and mechanical properties of Mg-Y-Gd-Zr alloys additionally alloyed with samarium / E. Lukyanova, I. Tarytina, N. Tabachkova, T. Dobatkina, N. Martynenko, O. Rybalchenko, G. Rybalchenko, D. Temralieva, V. Andreev, O. Ovchinnikova, N. Andreeva, S. Dobatkin // Materials Today Communications. – 2025. – Vol. 43. – P. 111857. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2025.111857.
  22. Severe plastic deformation of Mg–Zn–Zr–Ce alloys: advancing corrosion resistance and mechanical strength for medical applications / N. Luginin, A. Eroshenko, M. Khimich, K. Prosolov, A. Kashin, P. Uvarkin, A. Tolmachev, I. Glukhov, A. Panfilov, Y. Sharkeev // Metals. – 2023. – Vol. 13 (11). – P. 1847. – doi: 10.3390/met13111847.
  23. Pekguleryuz M., Celikin M. Creep resistance in magnesium alloys // International Materials Reviews. – 2010. – Vol. 55 (4). – P. 197–217. – doi: 10.1179/095066010X12646898728327.
  24. Electron microscopy of thin crystals / P.B. Hirsch, A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pashley, M.J. Whelan, L. Marton // Physics Today. – 1966. – Vol. 19 (10). – P. 93–95. – doi: 10.1063/1.3047787.
  25. Effect of Ce on microstructure and corrosion behavior of as cast ZK60 alloy / L. Sun, Z. Wang, L. Zhou, F. Wang, W. Zhang, Z. Wei, P. Mao // Materials Today Communications. – 2025. – Vol. 42. – P. 111345. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2024.111345.
  26. Severe plastic deformation by fast forging to easy produce hydride from bulk Mg-based alloys / D. Fruchart, N. Skryabina, P. de Rango, M. Fouladvind, V. Aptukov // Materials Transactions. – 2023. – Vol. 64 (8). – P. 1886–1893. – doi: 10.2320/matertrans.MT-MF2022049.
  27. Kappes M., Iannuzzi M., Carranza R.M. Hydrogen embrittlement of magnesium and magnesium alloys: a review // Journal of the Electrochemical Society. – 2013. – Vol. 160 (4). – P. C168–C178. – doi: 10.1149/2.023304jes.
  28. Zhang J., Yan S., Qu H. Stress/strain effects on thermodynamic properties of magnesium hydride: A brief review // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42 (26). – P. 16603–16610. – doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.05.174.
  29. Mezbahul-Islam M., Mostafa A.O., Medraj M. Essential magnesium alloys binary phase diagrams and their thermochemical data // Journal of Materials. – 2014. – Vol. 2014. – P. 1–33. – doi: 10.1155/2014/704283.
  30. Aljarrah M., Alnahas J., Alhartomi M. Thermodynamic modeling and mechanical properties of Mg-Zn-{Y, Ce} alloys: Review // Crystals. – 2021. – Vol. 11 (12). – P. 1592. – doi: 10.3390/cryst11121592.
  31. Sharkeev Yu.P., Kozlov E.V. The long-range effect in ion implanted metallic materials: dislocation structures, properties, stresses, mechanisms // Surface and Coatings Technology. – 2002. – Vol. 158–159. – P. 219–224. – doi: 10.1016/S0257-8972(02)00212-8.
  32. Гольдштейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин Б.М. Металлофизика высокопрочных сплавов. – М.: Металлургия, 1986. – 312 с.
  33. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta Materialia. – 2000. – Vol. 48 (1). – P. 1–29. – doi: 10.1016/S1359-6454(99)00285-2.
  34. Raynor G.V. The physical metallurgy of magnesium and its alloys. – New York: Pergamon Press, 1959. – 531 p.
  35. In-situ observation of twinning and detwinning in AZ31 alloy / W. Gong, R. Zheng, S. Harjo, T. Kawasaki, K. Aizawa, N. Tsuji // Journal of Magnesium and Alloys. – 2022. – Vol. 10 (12). – P. 3418–3432. – doi: 10.1016/j.jma.2022.02.002.
  36. Fracture behavior of magnesium alloys – Role of tensile twinning / N.S. Prasad, N. Naveen Kumar, R. Narasimhan, S. Suwas // Acta Materialia. – 2015. – Vol. 94. – P. 281–293. – doi: 10.1016/j.actamat.2015.04.054.
  37. Hall-Petch strengthening in ultrafine-grained Zn with stabilized boundaries / M. Balog, P. Krízik, A. Školáková, P. Švec, J. Kubásek, J. Pinc, M.M. de Castro, R. Figueiredo // Journal of Materials Research and Technology. – 2024. – Vol. 33. – P. 7458–7468. – doi: 10.1016/j.jmrt.2024.11.132.
  38. Effect of dislocation transmutation on modeling hardening mechanisms by twinning in magnesium / A.L. Oppedal, H. El Kadiri, C.N. Tomé, G.C. Kaschner, S.C. Vogel, J.C. Baird, M.F. Horstemeyer // International Journal of Plasticity. – 2012. – Vol. 30–31. – P. 41–61. – doi: 10.1016/j.ijplas.2011.09.002.
  39. Effect of alloying elements on the elastic properties of Mg from first-principles calculations / S. Ganeshan, S.L. Shang, Y. Wang, Z.-K. Liu // Acta Materialia. – 2009. – Vol. 57 (13). – P. 3876–3884. – doi: 10.1016/j.actamat.2009.04.038.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Примечание

Финансирование:

Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Российского научного фонда № 23-13-00359. https://rscf.ru/project/23-13-00359/. Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «НАНОТЕХ» ИФПМ СО РАН» и ЦКП "Структура, механические и физические свойства материалов" НГТУ.



Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».