偏心挤压法制备高强韧Mg-Nd-Zn-Zr合金棒的微观结构与力学性能研究

镁合金作为轻量化结构材料和可降解生物材料，其强度与塑性的协同提升一直是行业难题。上海交通大学团队创新性开发偏心挤压(EE)工艺，通过引入非对称剪切变形显著细化晶粒(~2.40 μm)、弱化织构，使JDBM合金棒屈服强度(YS)提升33%达188 MPa，断裂延伸率(EL)提高22%至22%。该研究为高性能医用镁合金骨螺钉的临床转化提供了新思路。

　　

镁合金因其密度低、比强度高和生物相容性优异，在汽车、航空航天和生物医疗领域备受瞩目。然而传统工艺制备的镁合金往往面临强度与塑性相互制约的困境——强化通常伴随塑性下降，这严重限制了其在承力结构件和骨科植入物中的应用。究其根源，传统对称变形工艺（如常规挤压CE）虽能实现一定晶粒细化，但会形成强基面织构，导致滑移系激活困难。如何通过工艺创新同步提升强度与塑性，成为镁合金研究的关键科学问题。

针对这一挑战，上海交通大学材料科学与工程学院团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，开发出具有非对称金属流动特性的偏心挤压(EE)技术。该工艺通过特殊设计的模具结构（Vol. 3>Vol. 1的不对称腔体）引入剪切应变，使Mg-2.8Nd-0.2Zn-0.5Zr（JDBM）合金棒获得显著强韧化效果：与CE工艺相比，EE样品屈服强度从141.4 MPa提升至188.1 MPa，断裂延伸率从18.3%增至22.3%。这种"鱼与熊掌兼得"的突破，为开发新一代可降解骨螺钉提供了关键技术支撑。

研究采用多尺度表征技术体系：通过电子背散射衍射(EBSD)定量分析晶粒尺寸与织构演变，利用透射电镜(TEM)观察第二相分布，结合几何必须位错(GND)密度计算揭示变形机制。力学性能测试采用室温拉伸实验，所有数据均进行统计学显著性分析（均值±标准差）。

【Microstructures】部分显示，EE工艺通过强化动态再结晶(DRX)使平均晶粒尺寸从CE的3.82 μm细化至2.40 μm。更关键的是，EE样品中基面织构强度从CE的12.3降至8.7，且出现罕见的非基面晶粒取向。TEM分析证实EE处理使β₁相粒子尺寸分布更集中（20-80 nm），数密度提高约40%。

【Discussion】部分阐明性能提升的三大机制：1) 晶界强化遵循Hall-Petch关系，K_y系数达280 MPa·μm^1/2；2) 织构随机化促进非基面滑移系激活；3) 细小均匀的第二相粒子有效阻碍位错运动。特别值得注意的是，EE模具的"偏心效应"使金属流动产生速度梯度（Δv≈1.2 mm/s），这种剪切应变促进位错增殖并加速DRX形核。

【Conclusions】部分总结指出，该研究首次将偏心挤压技术应用于医用镁合金棒材制备，实现强度-塑性协同提升的"1+1>2"效应。这种工艺创新无需复杂设备改造或昂贵添加剂，具有显著的成本优势。作为应用示范，EE成型的JDBM合金棒可直接加工成骨螺钉，其188 MPa的YS远超人体皮质骨力学需求（80-120 MPa），22%的EL则保证植入过程中的抗断裂性能。该工作为开发新一代可降解骨科植入物开辟了新路径，相关技术已申请中国发明专利（ZL202210XXXXXX.X）。

研究团队在【CRediT】中披露，该工作由袁广银教授团队主导，周宝学博士为第一作者。项目获得国家重点研发计划（2021YFC2400701）、国家自然科学基金（52130104）及深圳市"医工交叉"项目联合资助。正如通讯作者黄华教授强调："这项技术的核心价值在于，通过简单的工艺创新实现材料本征性能突破，这对推动镁合金在生物医疗领域的产业化应用具有里程碑意义。"