通过直流电阻加热辅助的短时预处理，提高镁合金管材的塑性

《Materials Science and Engineering: A》：Enhanced plasticity of magnesium alloy tubes by resistance heating assisted short-time pretreating using direct current

本研究通过直接电阻加热预处理改善ZM21合金管的塑性，发现200℃处理45秒有效促进静态再结晶、晶粒细化、消除孪晶、激活基面滑移及增加凹坑数量，显著提升室温及高温下的均匀延伸率，而400℃因晶粒生长和孪生形成导致延展性下降。该技术为Mg合金血管支架的大规模冷加工制造提供了新策略。

　　本文探讨了通过直接电阻加热（RH）辅助预处理来提升ZM21合金管材在血管支架冷加工过程中的塑性和成形性。ZM21合金因其低弹性模量、与天然骨骼相似的特性、良好的生物相容性和可降解性，被认为是制造可降解血管支架的有前景材料。然而，由于镁合金本身的滑移系统有限，其在常温下的成形性较低，容易引发孪生现象，从而使得通过冷变形工艺制造管材变得复杂。为了解决这一问题，研究者尝试通过不同的热处理方式，如高温挤压、无模拉拔和管状通道角压（TCAP）等，来改善镁合金管材的塑性。此外，等通道角压（ECAP）结合固溶和时效处理也被用于提升镁合金的成形性，但高温处理可能导致表面粗糙度增加，进而影响表面质量，加速腐蚀速率，并缩短其在人体内的机械支撑时间。

直接电阻加热是一种通过施加电流对材料进行加热的技术，具有高加热效率和良好的应力释放能力。在钢片加工中，RH能够在短时间内将材料加热至高温，从而减少氧化现象并消除回弹。同时，电流的热效应和非热效应可以促进位错攀移和原子迁移，有助于材料的再结晶过程。研究表明，电流的增加能够提高再结晶的驱动力，从而增强材料的塑性。然而，目前对于RH辅助预处理在镁合金管材成形性提升方面的应用研究尚不充分，特别是在考虑其复杂的尺寸和制造过程时，该技术的潜力仍有待进一步探索。

本研究采用RH辅助预处理结合拉伸测试的方法，评估ZM21合金管材在常温和高温下的成形性。通过数字图像相关（DIC）系统与激光斑点跟踪技术，对拉伸过程中材料的应变分布进行了全面测量。同时，结合电子背散射衍射（EBSD）分析，对管材的微观结构演变进行了系统研究。实验结果表明，RH预处理在200°C下进行45秒，能够显著促进静态再结晶、晶粒细化、消除拉伸孪生、激活基面滑移，并增加凹坑数量，从而降低拉伸强度，同时显著提高材料的均匀伸长率。随着温度的进一步升高，这些微观结构效应被进一步强化，但在400°C时，由于晶粒长大和孪生现象的出现，材料的常温延展性反而有所下降。

研究发现，RH辅助预处理在提升ZM21合金管材的塑性方面具有显著优势。特别是在200°C的预处理温度下，通过调整电流强度和处理时间，能够有效改善材料的成形性，同时避免表面粗糙度的增加。这一方法不仅提高了材料的均匀伸长率，还为大规模工业生产提供了可能。此外，通过对比其他热机械处理方法的数据，研究者发现RH辅助预处理在相同温度下（200°C）能够实现更优的晶粒细化效果，从而提升材料的延展性。

本研究还强调了RH辅助预处理在冷加工过程中对材料微观结构的调控作用。通过分析不同预处理条件下的材料性能，研究者发现该技术能够激活有利于塑性变形的机制，同时降低材料的拉伸强度，从而提高其在冷加工过程中的可加工性。在实际应用中，这种技术为制造复杂的血管支架提供了新的思路，特别是在需要兼顾材料强度和延展性的场合。此外，研究还指出，RH辅助预处理能够有效减少加工过程中因孪生现象引起的形状波动，从而提高管径的均匀性和稳定性。

从材料科学的角度来看，RH辅助预处理不仅能够改善镁合金的微观结构，还能够通过调控材料的应变分布和变形机制，提升其在不同温度下的机械性能。这一技术的应用为镁合金管材的高效制造提供了新的可能性，尤其是在工业生产中需要兼顾高效率和高质量的背景下。此外，通过优化RH预处理的参数，如温度、电流强度和处理时间，可以进一步提升材料的成形性，同时避免因高温处理导致的表面粗糙度问题。

本研究的成果对于推动镁合金在医疗领域的应用具有重要意义。通过RH辅助预处理，不仅可以提高ZM21合金管材的塑性和成形性，还能延长其在人体内的机械支撑时间，从而提升血管支架的临床效果。此外，该技术的可扩展性也为大规模生产提供了可能，有助于降低制造成本，提高生产效率。在实际应用中，RH辅助预处理能够为医疗设备制造商提供一种新的加工手段，特别是在需要制造高精度、高性能血管支架的场合。

在实验方法方面，本研究采用了多种先进的测试手段，包括拉伸测试、电子背散射衍射分析和数字图像相关系统。这些技术能够全面评估材料的性能，同时提供详细的微观结构信息。通过拉伸测试，研究者可以测量材料的拉伸强度和均匀伸长率，从而评估其塑性。通过EBSD分析，可以研究材料的晶粒取向分布和再结晶行为，从而揭示其微观结构演变的机制。而通过DIC系统，可以对材料的应变分布进行高精度测量，从而分析其变形行为。

研究过程中，实验条件的控制至关重要。例如，在预处理阶段，需要精确控制温度和电流强度，以确保材料的性能得到优化。在拉伸测试阶段，需要确保样品的均匀性和一致性，以避免因样品不均导致的测试误差。此外，研究还强调了实验数据的可重复性和可比性，以确保研究结果的可靠性。通过对比不同预处理条件下的实验数据，研究者能够更好地理解RH辅助预处理对材料性能的影响。

本研究的发现为镁合金在医疗领域的应用提供了新的思路。通过RH辅助预处理，可以有效提升ZM21合金管材的塑性和成形性，同时避免因高温处理导致的表面粗糙度问题。这一技术的应用不仅有助于提高血管支架的制造效率，还能延长其在人体内的使用时间，从而提升临床效果。此外，该技术的可扩展性也为大规模工业生产提供了可能，有助于降低制造成本，提高生产效率。

在实际应用中，RH辅助预处理可以为医疗设备制造商提供一种新的加工手段，特别是在需要制造高精度、高性能血管支架的场合。通过优化预处理参数，如温度、电流强度和处理时间，可以进一步提升材料的成形性，同时确保其表面质量。此外，该技术还可以用于其他镁合金的加工，为不同类型的医疗设备提供支持。例如，通过调整预处理温度，可以实现不同级别的晶粒细化效果，从而满足不同应用场景对材料性能的需求。

本研究还强调了RH辅助预处理在提升材料性能方面的独特优势。与传统的热处理方法相比，RH辅助预处理能够在短时间内达到较高的温度，从而减少氧化现象，并提高材料的再结晶效率。同时，该技术能够避免因高温处理导致的表面粗糙度问题，从而确保材料的表面质量。此外，RH辅助预处理还能够促进材料的均匀塑性变形，提高其在冷加工过程中的可加工性，从而减少加工过程中因形状波动导致的缺陷。

在实验数据的分析方面，本研究采用了多种方法，包括统计分析和图像分析。通过统计分析，可以评估不同预处理条件下材料性能的变化趋势，从而确定最佳的预处理参数。通过图像分析，可以研究材料的微观结构变化，如晶粒细化、孪生现象和滑移行为，从而揭示其变形机制。这些分析方法能够为材料科学的研究提供可靠的数据支持，同时为工程应用提供指导。

此外，本研究还指出，RH辅助预处理在提升材料性能方面具有一定的局限性。例如，在较高温度下（如400°C），材料的晶粒长大和孪生现象可能会对材料的延展性产生负面影响。因此，在实际应用中，需要根据具体的材料特性和加工需求，选择合适的预处理温度和处理时间。通过优化这些参数，可以最大限度地发挥RH辅助预处理的优势，同时避免其可能的缺点。

综上所述，本研究通过RH辅助预处理，成功提升了ZM21合金管材在冷加工过程中的塑性和成形性。实验结果表明，该技术能够有效改善材料的微观结构，提高其在不同温度下的机械性能。这些发现不仅为镁合金在医疗领域的应用提供了新的思路，也为大规模工业生产提供了可能。通过进一步优化RH辅助预处理的参数，可以实现更优的材料性能，从而满足不同应用场景的需求。