低温挤压制备高纯度多晶锌的强度-延展性协同调控机制及超塑性变形行为研究

《Materials Characterization》：Decreased strength and increased ductility of high-purity polycrystalline zinc extruded at low temperatures

本研究针对医用可降解锌合金强度低、延展性差的核心问题，通过-10°C至250°C梯度温度挤压调控高纯锌晶粒尺寸（113→15 μm），发现150°C挤压时屈服强度达121 MPa（Hall-Petch常数k=220 MPa·μm1/2），而-10°C超细晶（15 μm）锌展现96%超塑性延伸率，揭示了晶界主导变形机制对医用锌材性能优化的突破性意义。

　　

在生物可降解植入物领域，锌基合金因其适中的降解速率和良好的生物相容性，被视为替代镁基和铁基材料的潜力选手。然而，铸造锌固有的粗大晶粒导致其强度仅约30 MPa、延伸率低至0.25%，严重制约临床应用。更棘手的是，锌的六方密排结构（HCP）使其室温变形主要依赖孪生机制，易引发裂纹扩展。尽管经典Hall-Petch理论预测晶粒细化可提升强度，但锌的低熔点（420°C）导致其加工时易发生动态再结晶软化，甚至出现反常的"细晶弱化"现象——当晶粒<3 μm时，Zn-0.4Al合金的流变应力反而下降。这些矛盾现象使得锌基材料的性能优化成为国际难题。

江苏高等教育机构自然科学基金资助的研究团队在《Materials Characterization》发表突破性成果。研究人员创新性地采用液氮冷却实现-10°C低温挤压，通过调控挤压温度（250°C至-10°C）制备出晶粒尺寸梯度变化（113-15 μm）的高纯锌样品。结合EBSD晶粒取向分析和力学性能测试，首次发现150°C挤压时晶粒细化至50 μm使屈服强度提升至121 MPa，符合Hall-Petch关系；而-10°C超细晶锌（15 μm）虽强度仅76 MPa，却展现出96%的惊人延伸率，这种"高强度→高延展"的转变源于晶界滑移主导的变形机制激活。

关键技术包括：1）间接挤压法（挤出比36:1）在-10°C至250°C六组温度制备样品；2）电子背散射衍射（EBSD）表征晶界分布和织构演变；3）室温拉伸测试获取力学性能数据。

【结果与讨论】
• 微观结构演变：EBSD显示所有样品均为动态再结晶等轴晶，250°C挤压晶粒113 μm，随温度降低晶粒逐渐细化至-10°C的15 μm，同时(01^ˉ0)和(^ˉ12^ˉ10)织构强度减弱。
• 力学性能转折点：150°C挤压样品因小角度晶界和强织构产生最高强度（121 MPa），而100°C样品因随机织构和孪晶减少出现强度低谷（70 MPa）。
• 超塑性机制：-10°C样品的超塑性源于晶界滑移主导变形，颈缩后仍能保持稳定流动。

【结论】该研究突破传统热机械处理温度限制，首次实现医用锌材强度-延展性的协同调控。特别重要的是，发现15 μm晶粒尺寸是激活晶界滑移变形的临界阈值，为设计兼具力学性能和降解特性的新型锌基植入材料提供理论依据。研究还修正了锌的Hall-Petch关系适用范围，指出其在15-113 μm区间的分段特性，这对理解HCP金属的尺寸效应具有普适意义。