Улучшение механических характеристик чистого Zn путем легирования Mg и Zr и последующего равноканального углового прессования
DOI:
https://doi.org/10.54708/26587572_2026_812432Ключевые слова:
Цинковые сплавы, равноканальное угловое прессование, микроструктура, механические свойства, коррозионная стойкостьАннотация
В работе представлено исследование влияния равноканального углового прессования (РКУП) и легирования 1,7 масс. % Mg и 0,2 масс. % Zr на микроструктуру, механические свойства и коррозионную стойкость чистого Zn. Исследование показало, что легирование приводит к формированию в сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr двухфазного состояния, состоящего из дендритов α-Zn и расположенной вокруг этих дендритов толстой, шириной до 30 мкм, прослойки эвтектики, состоящей из фаз Zn2Mg и Zn11Mg2. После отжига сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr толщина прослойки эвтектической фазы уменьшается до ~5 мкм, расположенной вдоль границ зерен α-Zn со средним размером 20–30 мкм. РКУП сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr приводит к вытягиванию зерен α-Zn вдоль направления деформации (ширина зерен 5–7 мкм) и формированию сферических включений эвтектической фазы размером 3–5 мкм. Легирование чистого цинка Mg и Zr повышает его пределы прочности и текучести в 3 раза, но снижает относительное удлинение практически до нуля. В то же время после РКУП в сплаве происходит дополнительное увеличение прочности до значений σ0,2 = 245 ± 2 МПа, σB = 295 ± 5 МПа и небольшой рост пластичности до значения δ, равного 2,3 ± 0,4%. Показано, что ни легирование, ни РКУП не влияют на стойкость Zn к электрохимической и химической коррозии. Средняя скорость деградации исследованных материалов после 7 дней инкубации в растворе на основе DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium) не превышает 0,25 мм/год.Библиографические ссылки
Khan A.R., Grewal N.S., Zhou C., et al. Recent advances in biodegradable metals for implant applications: Exploring in vivo and in vitro responses // RINENG. 20, 101526 (2023). https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101526.
Chen K., Gu X., Zheng Y. Feasibility, challenges and future prospects of biodegradable zinc alloys as orthopedic internal fixation implants // Smart Materials in Manufacturing. 2, 100042 (2024). https://doi.org/10.1016/j.smmf.2023.100042.
Wang Z., Song J., Peng Y. New insights and perspectives into biodegradable metals in cardiovascular stents: A mini review // Journal of Alloys and Compounds. 1002, 175313 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.175313.
Hassna E., Huang Y., Yan T. Biodegradable metals for cardiovascular and orthopaedic implants: A comparative review of magnesium, iron and zinc // Metals Advances. 39, 68–82 (2026). https://doi.org/10.1016/j.metadv.2025.12.001.
Deng B., Zhang D., Dai Y., et al. A biodegradable Fe–0.6Se alloy with superior strength and effective antibacterial and antitumor capabilities for orthopedic applications // Acta Biomaterialia. 189, 633–650 (2024). https://doi.org/10.1016/j.actbio.2024.10.012.
Mousavian S.M.H., Bautin V.A., Tabaian S.H. Advanced strategies for Mg-based biodegradable implants: Alloying, heat treatment, and coatings // J. Alloys Compd., 1040, 183575 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.183575
Li Z., Shi Z.-Z., Yan Y., et al. Suppression mechanism of initial pitting corrosion of pure Zn by Li alloying // Corrosion Science. 189, 109564 (2021). https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109564.
Venezuela J., Dargusch M.S. The influence of alloying and fabrication techniques on the mechanical properties, biodegradability and biocompatibility of zinc: A comprehensive review // Acta Biomaterialia. 87, 1–40 (2019). https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.01.035.
Tong X., Zhang D., Zhang X., et al. Microstructure, mechanical properties, biocompatibility, and in vitro corrosion and degradation behavior of a new Zn–5Ge alloy for biodegradable implant materials // Acta Biomaterialia. 82, 197–204 (2018). https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.10.015.
Zhao H., Yang B., Ren Y., Qin G. Decreased strength and increased ductility of high-purity polycrystalline zinc extruded at low temperatures // Materials Characterization. 228, 115378 (2025). https://doi.org/10.1016/j.matchar.2025.115378.
Su Y., Fu J., Du S., et al. Biodegradable Zn–Sr alloys with enhanced mechanical and biocompatibility for biomedical applications // Smart Materials in Medicine. 3, 117–127 (2022). https://doi.org/10.1016/j.smaim.2021.12.004.
Bryzgalov V., Kistanov A.A., Khafizova E., et al. Experimental study of corrosion rate supplied with an ab-initio elucidation of corrosion mechanism of biodegradable implants based on Ag-doped Zn alloys // Applied Surface Science. 652, 159300 (2024). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.159300.
Zhang J., Zhu X., Guo P., et al. Effects of Li addition on the properties of biodegradable Zn–Fe–Li alloy: Microstructure, mechanical properties, corrosion behavior, and cytocompatibility // Materials Today Communications. 39, 108661 (2024). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108661.
Riaz M., Shahzadi S., Imtiaz H., Hussain T.Effects of Ag, Cu or Fe addition on microstructure and comprehensive properties of biodegradable Zn-Mg alloy // Materials Today Communications. 38, 108513 (2024). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108513.
Hashemizarandi S., Riazat A., Emami M., Taghiabadi R. Effect of multi-pass multidirectional forging on microstructure and corrosion behavior of Zn-1Fe biodegradable alloy // Journal of Alloys and Compounds. 1038, 182810 (2025). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.182810.
Jia B., Yang H., Han Y., et al. In vitro and in vivo studies of Zn-Mn biodegradable metals designed for orthopedic applications // Acta Biomaterialia. 108, 358–372 (2020). https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.03.009.
Zhou H., Hou R., Yang J., et al. Influence of Zirconium (Zr) on the microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of biodegradable zincmagnesium alloys // Journal of Alloys and Compounds. 840, 155792 (2020) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155792.
Martynenko N., Anisimova N., Rybalchenko O., et al. Structure, biodegradation and in vitro bioactivity of Zn-1%Mg alloy strengthened by high pressure torsion // Materials. 15(24), 9073 (2022). https://doi.org/10.3390/ma15249073.
Sitdikov V.D., Khafizova E.D., Polenok M.V., Abdrakhmanova E.D. Corrosion resistance and biocompatibility of the ultrafine-grained Zn-1%Li-2%Mg and Zn-1.0% Mg-1.0%Fe alloys produced by severeplastic deformation // Materials. Technologies. Design. 6(2(17), 109–128 (2024). (In Russian) [Ситдиков В.Д., Хафизова, Э.Д., Поленок М.В., Абдрахманова Э.Д. Коррозионная стойкость и биосовместимость ультрамелкозернистых сплавов Zn-1%Li-2%Mg и Zn-1% Mg-1%Fe, полученных интенсивной пластической деформацией // Materials. Technologies. Design, 2(17), 109–128 (2024)]. https://doi.org/10.54708/26587572_2024_6217109.
Abdrakhmanova E.D., Khafizova E.D., Polenok M.V., Islamgaliev R.K., Yilmazer H. Effect of the test regimes on the corrosion resistance of the Zn-1Fe-1Mg alloy // Materials. Technologies. Design. 1(16), 80–90 (2024). https://doi.org/10.54708/26587572_2024_611680.
Hua X., Wang K., Tong X., Lin J. Microstructure, mechanical and corrosion properties of biodegradable Zn-Mg-Zr alloys for biomedical applications // Materials Letters. 323, 132516 (2022). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2022.132516.
Aghajani S., Alizadeh R. Severe plastic deformation of Zn and Zn-based alloys // Journal of Materials Research and Technology. 33, 6508–6533 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.240.
Kulyasova O.B., Danilov I.A., Khasanova A.R., Bazhenova Ju.V. Influence of high pressure torsion on the microstructure and mechanical properties of biosoluble Zinc alloy Zn-0.8%Li // Materials. Technologies. Design. 3(9), 73–79 (2022). Кулясова О.Б., Данилов И.А., Хасанова А.Р., Баженова Ю.В. Влияние интенсивной пластической деформации кручением на микроструктуру и механические свойства биорастворимого цинкового сплава Zn-0,8%Li // Materials. Technologies. Design, 3(9), 73–79 (2022). https://doi.org/10.54708/26587572_2022_43973.
Ye L., Liu H., Sun C., et al. Achieving high strength, excellent ductility, and suitable biodegradabilityin a Zn-0.1Mg alloy using room-temperature ECAP // Journal of Alloys and Compounds. 926, 166906 (2022).https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166906.
Duan J., Li L., Cao F., et al. An in vitro and in vivo study of biodegradable Zn–Cu–Li alloy with high strength and ductility fabricated by hot extrusion combined withroom-temperature ECAP // Journal of Materials Research and Technology. 33, 4226–4242 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.110.
Zhang W., Sun X., Liu D., Liang G., Gao J. Microstructure and properties of biodegradable Zn-0.8Mn-0.5Cu-0.2Sr alloys processed by ECAP // Materials Today Communications. 39, 108630 (2024). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108630.
Atif M., Liu H., Zhou J., et al. Influence of rolling and equal channel angular pressing (ECAP) on the microstructural evolution and mechanical properties of Zn-0.5Li-0.3Mn alloy // Materials Science and Engineering A. 953, 149757 (2026). https://doi.org/10.1016/j.msea.2026.149757.
Liang H., Wu H., Yin D., et al. Potential of biodegradable Zn alloys with fine grains for orthopedic and antibacterial applications // Materials Advances. 6(11), 3495–3511 (2025). https://doi.org/10.1039/d4ma01094a.
Martynenko N., Anisimova N., Tabachkova N., et al. Improved mechanical properties of biocompatible Zn-1.7%Mg and Zn-1.7%Mg-0.2%Zr alloys deformed with high-pressure torsion // Metals. 13(11), 1817 (2023). https://doi.org/10.3390/met13111817.
Yao C., Wang Z., Tay S.L., Zhu T., Gao W. Effects of Mg on microstructure and corrosion properties of Zn–Mg alloy // J. Alloys Compd., 602, 101-107 (2014). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.03.025.
Ji C., Ma A., Jiang J., et al. Research status and future prospects of biodegradable Zn-Mg alloys // Journal of Alloys and Compounds. 993, 174669 (2024) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174669.
Huang H., Liu H., Wang L.S., Li Y.-H., Agbedor S.-O., Bai J., Xue F., Jiang J.-H. A High-Strength and Biodegradable Zn–Mg Alloy with Refined Ternary Eutectic Structure Processed by ECAP // Acta Metallurgica Sinnica (English Letters). 33, 1191–1200 (2020). https://doi.org/10.1007/s40195-020-01027-x.
Osório W.R., Spinelli J.E., Freire C.M., Garcia A. The role of macrostructural and microstructural morphologies on the corrosion resistance of Zn and a Zn-4% Al alloy // Materials and Manufacturing Processes. 3, 341–345 (2007). https://doi.org/10.1080/10426910701190386.
Prosek T., Nazarov A., Bexell U., Thierry D., Serak J. Corrosion mechanism of model zinc–magnesium alloys in atmospheric conditions // Corr. Sci., 50, 8, 2008, 2216-2231 (2008). https://doi.org/10.1016/j.corsci.2008.06.008
García-Mintegui C., Córdoba L.C., Buxadera-Palomero J., et al. Zn-Mg and Zn-Cu alloys for stenting applications: From nanoscale mechanical characterization to in vitro degradation and biocompatibility // Bioactive Materials. 12, 4430–4446 (2021). https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.04.015.
