26167

بررسي تاثير عنصر منگنز بر ريز ساختار و خواص كششي آلياژ Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr-xMn

كارشناسي ارشد

مهندسي مواد گرايش شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

1397

1400/10/22

سعييد شبستري - حسن ثقفيان

مهندسي مواد و متالورژي

در سال‌هاي اخير منيزيم و آلياژهاي آن به‌عنوان مواد ايمپلنت بالقوه زيست‌تخريب‌پذير براي كاربردهاي ارتوپدي به‌طور گسترده‌اي موردبررسي قرارگرفته‌اند. بااين‌حال، خواص مكانيكي ضعيف و خوردگي سريع آلياژهاي منيزيمي در وضعيت‌هاي فيزيولوژيك، كاربرد ارتوپدي آن‌ها را به تعويق انداخته است. در پژوهش حاضر اثر افزودن عنصر منگنز بر ريزساختار، خواص مكانيكي و خواص خوردگي آلياژ Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr را در حالت ريخته‌گري بررسي شده است. بدين منظور آلياژ Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr حاوي 0,0.2,0.4,0.6 درصد وزني منگنز، ريخته‌گري و آماده شده است. ريزساختار با استفاده از ميكروسكوپ نوري و ميكروسكوپ الكتروني روبشي بررسي و خواص مكانيكي توسط آزمون‌هاي كشش و سختي سنجي مورد بررسي و ارزيابي قرار گرفته است. همچنين از آزمون پراش پرتوايكس جهت شناسايي فازهاي موجود در ساختار و آزمون‌هاي خوردگي پلاريزاسيون و غوطه‌وري در محلول شبيه‌سازي، بدن جهت بررسي خواص خوردگي، استفاده شده است. با تغييرات درصد منگنز، آناليز الگوي پراش پرتوايكس تفاوتي چنداني رو از خود نشان نداده و صرفا حضور فازهاي α- Mg و Mg17Sr12 را در ساختار تاييد ميكند. از طرفي با افزايش ميزان منگنز، متوسط اندازه دانه از μm 133 به ترتيب به 115، 102 و μm76 كاهش داشته است. افزودن منگنز موجب افزايش سختي در آلياژ شده است به‌طوري‌كه سختي آلياژهاي ريخته‌گري شده از HV36.6 در نمونه عاري از منگنز به HV41.6 در نمونه حاوي 0.6 درصد وزني منگنز افزايش‌يافته است. نتايج آزمون كشش نشان مي‌دهد مقادير استحكام با افزايش درصد منگنز تا 0.2 درصد، بهبود يافته و سپس در مقادير بيشتر منگنز كاهش‌يافته است به‌طوري‌كه با افزايش درصد منگنز از 0 به 0.2 درصد استحكام كششي آلياژ از MPa143 به MPa176 افزايش‌يافته است. درصد افزايش طول نسبي در نمونه حاوي 0.2 درصد منگنز از 15.3 درصد به 17.4درصد افزايش داشته است. نتايج حاصل از آزمون‌هاي خوردگي نشان‌دهنده بهبود خواص آلياژ با افزودن منگنز است كه بهترين خواص در آلياژهاي حاوي 6/0 درصد وزني منگنز گزارش شده است؛ بنابراين مي‌توان آلياژ Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr-0.2Mn را به‌عنوان آلياژ بهينه در حالت ريخته‌گري انتخاب نمود. نتايج شكست نگاري نشان داد كه شكست نمونه‌ها در حالت ريخته‌گري، عمدتاً تركيبي از شكست ترد و نرم بوده‌اند.

1400/12/16

Effect of magnesium addition on microstructure and tensile properties of Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr-xMn alloy

1/12/2023 12:00:00 AM

In recent years, magnesium and its alloys as potentially biodegradable implant materials for orthopedic applications have been widely studied. However, poor mechanical properties and rapid corrosion of magnesium alloys in physiological conditions have delayed their orthopedic application. In the present study, the effect of manganese addition on the microstructure, mechanical properties and corrosion properties of Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr alloy in casting mode has been investigated. For this purpose, Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr alloy containing 0,0.2,0.4,0.6% by weight of manganese has been produced by casting and prepared. The microstructure was examined using a optical microscope and a scanning electron microscope, and the mechanical properties were evaluated by tensile and hardness tests. Also, X-ray diffraction test was used to identify the phases in the structure and corrosion tests of polarization and immersion in the body simulation solution,used to investigate the properties of corrosion. With changes in the percentage of manganese, the analysis of the X-ray diffraction pattern did not show much difference and only confirmed the presence of α-Mg and Mg17Sr12 phases in the structure. On the other hand, with increasing manganese content, the average grain size decreased from 133 μm to 115, 102 and 76 μm, respectively. Addition of manganese has increased the hardness of the alloy, so that the hardness of cast alloys has increased from HV36.6 in the manganese-free sample to HV41.6 in the sample containing 0.6% by weight of manganese. The results of tensile test show that the strength values improve with increasing percentage of manganese to 0.2%, and then decrease in higher amounts of manganese, so that with increasing percentage of manganese from 0 to 0.2%, the tensile strength of the alloy increases from MPa143 to MPa176. The percentage increase in relative length in the sample containing 0.2% manganese increased from 15.3% to 17.4%. The results of corrosion tests show that the properties of the alloy are improved by the addition of manganese, which is the best property reported in alloys containing 0.6% by weight of manganese;Therefore, Mg-1Zn-0.3Ca-0.3Sr-0.2Mn alloy can be selected as the optimal alloy in casting. The fracture results showed that the failure of the samples in the casting mode was mainly a combination of brittle and soft failure.

منيزيم , آلياژهاي زيستي , زيست‌تخريب‌پذير , ريزساختار , خواص مكانيكي

Magnesium , Bio alloys , Biodegradable , Microstructure , Mechanical properties

Hesam Hosseini

Prof. S.G. Shabestari & Prof. H. Saghafian