在高强度Zn-2Cu-0.15Mg合金中实现接近环境温度下的准超塑性，该合金具有超细/细晶结构

《Journal of Materials Science & Technology》：Achieving ambient temperature quasi-superplasticity in a high strength Zn-2Cu-0.15Mg alloy with ultrafine/fine grained structure

生物可降解Zn-2Cu-0.15Mg合金通过热挤压与室温轧制形成双模态晶粒结构，实现准超塑性变形（延伸率138.2%），兼具高强度（屈服强度219.5MPa）与良好加工性能。

　　锌合金因其适中的降解速率和良好的生物相容性，被视为替代传统植入金属（如不锈钢和钛合金）的有前景材料。然而，传统植入金属在长期使用过程中需要二次手术移除，这不仅增加了患者的痛苦，还带来了额外的经济负担。因此，研究者们开始关注可降解材料的应用，以减少此类问题。尽管如此，可降解聚合物和镁合金往往表现出较低的强度，难以满足承重应用的需求。相比之下，可降解锌合金展现出更大的潜力，因为它们不仅不产生氢气，而且其降解速率与组织修复的需求相匹配。

近年来，研究重点集中在提升锌合金的机械性能、腐蚀行为和生物相容性，以推动其在临床中的应用。对于复杂的医疗设备制造，尤其是心血管支架等结构，对材料的延展性提出了更高的要求。因此，超塑性和准超塑性材料成为实现这些需求的有力解决方案。超塑性材料能够在不发生断裂的情况下实现大范围的均匀变形，这种行为主要归因于晶界滑动（GBS）作为主要的变形机制，而非位错滑移。为了实现超塑性变形，通常需要满足三个关键条件：等轴晶粒尺寸通常小于10微米；变形温度不低于熔点的一半；以及较高的应变敏感指数（m≈0.5）。由于锌及其合金的熔点低于镁和钛合金，因此它们更容易在室温下表现出超塑性变形。

为了克服传统锌合金在强度和延展性之间的权衡，研究者们提出了合金设计的概念，通过结合热加工和室温变形工艺，实现具有双模态晶粒结构（超细晶和细晶）的高强锌合金。这种结构在室温下通过多道次的轧制过程形成，最终实现了优异的力学性能。实验结果表明，该合金在应变率为1×10?? s?1时，表现出约138.2%的准超塑性应变，屈服强度（YS）约为219.5 MPa，极限抗拉强度（UTS）约为301.5 MPa。这些数据表明，该合金在保持较高强度的同时，也具备良好的延展性，满足了复杂医疗设备对材料性能的双重要求。

在研究过程中，采用了准原位电子背散射衍射（EBSD）分析技术，系统地研究了轧制合金在不同应变下的微观结构和织构演变。分析发现，超细晶粒主要经历了晶粒旋转和晶界滑动（GBS），而细晶粒则以位错蠕变为主。动态再结晶（DRX）和晶界滑动在拉伸变形过程中对准超塑性应变的产生起到了重要作用。此外，大量的球形亚微米级CuZn?相的形成，为材料提供了丰富的相界面，这些相界面通过相界面滑动（PBS）促进了准超塑性变形的实现。

在材料制备方面，研究使用了纯锌（99.99 wt.%）、纯铜（99.9 wt.%）以及Zn-5 wt.% Cu主合金作为原料。所有合金均在氩气保护下通过中频感应加热炉进行熔炼。进一步的热处理包括将铸造后的Zn-2Cu-0.15Mg合金在350°C下保温20小时，随后进行水冷处理。热挤压过程在250°C下进行，采用11:1的挤压比和适当的挤压速度，以优化合金的微观结构并减少铸造缺陷。通过多道次的室温轧制，最终获得了具有优异延展性的薄板材料，其极限抗拉强度达到约301.5 MPa，最大应变约为138.2%。较低的应变敏感指数（m≈0.163）表明该合金表现出准超塑性行为。

在初始微观结构方面，扫描电镜（SEM）图像显示，铸造后的Zn-2Cu-0.15Mg合金中存在蝴蝶形的CuZn?相（或CuZn?相，由于该相具有较宽的成分范围），以及由α-Zn和Mg?Zn??组成的共晶网络。经过热挤压处理后，这些相被破碎并沿挤压方向（ED）分布成条状，同时晶粒尺寸显著减小，为后续的室温变形奠定了基础。

在机械行为演变方面，锌合金对应变率具有高度敏感性，这一特性已被广泛报道。特别是，对于经过严重晶粒细化的合金，其在冷加工或超塑性加工过程中表现出的机械性能受到加载条件（如应变率、加载温度和暴露时间）的显著影响。通过系统研究，可以更深入地理解锌合金在不同温度和应变率下的超塑性变形行为。例如，Wang等人研究了Zn-0.033Mg合金在不同温度和应变率下的超塑性变形行为，发现变形温度对材料的变形能力具有更大的影响。这种研究为开发具有优异性能的锌合金提供了重要的理论支持。

在研究结论中，该工作结合了合金设计概念和适当的加工技术，成功开发出一种具有高强和准超塑性特性的可降解锌合金。这种合金在室温下表现出优异的力学性能，为高精度制造高性能复杂医疗植入设备提供了候选材料。同时，该研究为开发具有优异延展性的高强锌合金提供了重要的数据支持。通过系统研究合金的微观结构演变和变形行为，可以更全面地理解其在不同条件下的性能表现。

此外，该研究还涉及多个关键领域的贡献。例如，在材料制备过程中，纯锌、纯铜和Zn-5 wt.% Cu主合金的使用确保了材料的纯净度和均匀性。在热处理过程中，350°C的保温时间被严格控制，以确保材料的均匀组织和减少铸造缺陷。热挤压和室温轧制工艺的结合，使得材料能够获得所需的微观结构和力学性能。通过多道次的室温轧制，最终实现了高强和高延展性的薄板材料。

在微观结构演变方面，通过准原位EBSD分析，研究团队能够系统地观察合金在不同应变下的晶粒旋转和晶界滑动行为。这些行为对材料的延展性产生了重要影响。同时，动态再结晶和晶界滑动在拉伸变形过程中对准超塑性应变的产生起到了关键作用。此外，大量球形亚微米级CuZn?相的形成，为材料提供了丰富的相界面，这些相界面通过相界面滑动促进了准超塑性变形的实现。

在结论部分，研究强调了该合金在室温下表现出的优异性能，为可降解植入材料的发展提供了新的思路。通过结合合金设计和加工技术，成功克服了传统锌合金在强度和延展性之间的权衡问题。这一成果不仅拓展了锌合金在生物医学领域的应用范围，也为开发高性能复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究为后续研究提供了理论依据和实验数据支持，有助于进一步优化锌合金的性能，推动其在临床中的应用。

在材料的性能评估方面，通过室温拉伸测试，研究团队对合金的力学性能进行了系统研究。实验结果显示，该合金在保持较高强度的同时，表现出良好的延展性，这为复杂医疗设备的制造提供了重要保障。此外，通过分析不同应变下的微观结构演变，研究团队能够更深入地理解材料的变形机制，为后续的材料设计和加工优化提供了重要参考。

在应用前景方面，该合金的高强和准超塑性特性使其成为制造复杂医疗设备的理想材料。特别是，其在室温下的良好延展性，使得材料能够适应复杂的加工需求，如超塑性成形和精密加工。这一特性不仅提高了材料的加工灵活性，也增强了其在实际应用中的可靠性。同时，该合金的生物相容性和可控的降解速率，使其在生物医学领域具有广泛的应用潜力。

在研究过程中，研究团队还关注了不同合金元素对材料性能的影响。例如，铜元素不仅具有抗菌作用，还能调节降解动力学，而镁元素则有助于组织修复并提升材料的机械性能。因此，Zn-2Cu-0.15Mg合金的设计结合了这些元素的优势，使其在保持较高强度的同时，也具备良好的延展性和生物相容性。这种设计思路为开发高性能可降解材料提供了新的方向。

在实验方法方面，研究团队采用了多种先进的分析技术，包括扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）等，以全面研究材料的微观结构和变形机制。这些技术的应用不仅提高了研究的精确度，也为材料的性能优化提供了重要的数据支持。此外，通过系统研究不同应变下的材料行为，研究团队能够更深入地理解材料的变形规律，为后续的材料设计和加工工艺提供理论依据。

在研究结论中，该工作展示了通过合金设计和加工技术的结合，成功开发出一种具有高强和准超塑性特性的可降解锌合金。这种合金在室温下表现出优异的力学性能，为高精度制造复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究过程中，研究团队还探讨了材料在不同加工条件下的性能表现。例如，通过热挤压和室温轧制的结合，材料能够获得所需的微观结构和力学性能。这种加工方法不仅提高了材料的加工效率，也增强了其在实际应用中的可靠性。此外，研究还关注了材料在不同应变率下的性能变化，为优化材料的使用条件提供了重要参考。

在材料的性能优化方面，研究团队通过系统的实验和分析，成功实现了高强和高延展性的平衡。这一成果不仅拓展了锌合金在生物医学领域的应用范围，也为开发高性能复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究结论中，该工作结合了合金设计和加工技术，成功开发出一种具有高强和准超塑性特性的可降解锌合金。这种合金在室温下表现出优异的力学性能，为高精度制造复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究过程中，研究团队还关注了材料在不同加工条件下的性能表现。例如，通过热挤压和室温轧制的结合，材料能够获得所需的微观结构和力学性能。这种加工方法不仅提高了材料的加工效率，也增强了其在实际应用中的可靠性。此外，研究还探讨了材料在不同应变率下的性能变化，为优化材料的使用条件提供了重要参考。

在材料的性能优化方面，研究团队通过系统的实验和分析，成功实现了高强和高延展性的平衡。这一成果不仅拓展了锌合金在生物医学领域的应用范围，也为开发高性能复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究结论中，该工作结合了合金设计和加工技术，成功开发出一种具有高强和准超塑性特性的可降解锌合金。这种合金在室温下表现出优异的力学性能，为高精度制造复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究过程中，研究团队还关注了材料在不同加工条件下的性能表现。例如，通过热挤压和室温轧制的结合，材料能够获得所需的微观结构和力学性能。这种加工方法不仅提高了材料的加工效率，也增强了其在实际应用中的可靠性。此外，研究还探讨了材料在不同应变率下的性能变化，为优化材料的使用条件提供了重要参考。

在材料的性能优化方面，研究团队通过系统的实验和分析，成功实现了高强和高延展性的平衡。这一成果不仅拓展了锌合金在生物医学领域的应用范围，也为开发高性能复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究结论中，该工作结合了合金设计和加工技术，成功开发出一种具有高强和准超塑性特性的可降解锌合金。这种合金在室温下表现出优异的力学性能，为高精度制造复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。

在研究过程中，研究团队还关注了材料在不同加工条件下的性能表现。例如，通过热挤压和室温轧制的结合，材料能够获得所需的微观结构和力学性能。这种加工方法不仅提高了材料的加工效率，也增强了其在实际应用中的可靠性。此外，研究还探讨了材料在不同应变率下的性能变化，为优化材料的使用条件提供了重要参考。

在材料的性能优化方面，研究团队通过系统的实验和分析，成功实现了高强和高延展性的平衡。这一成果不仅拓展了锌合金在生物医学领域的应用范围，也为开发高性能复杂医疗设备提供了重要的材料基础。同时，该研究还揭示了材料在不同应变下的变形机制，为理解锌合金的超塑性行为提供了新的视角。