28448

تاثير فرايند تغييرشكل پلاستيك شديد بر ريزساختار و خواص مكانيكي آلياژ پايه روي مورد استفاده در كاربردهاي پزشكي

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مواد و متالورژي- مهندسي مواد و متالورژي

1396

1402/3/20

محمدرضا ابوطالبي - سيدحسين رضوي

سيدمحمود فاطمي

دانشكده مهندسي مواد و متالورژي

گزارش هاي منتشر شده در سال هاي اخير نشان داده است كه فلز روي و آلياژهاي آن به عنوان مواد جديد در فراوري و توليد استنت قلبي زيست تخريب پذير مورد توجه قرار گرفته اند. علي رغم زيست سازگاري و زيست تخريب پذيري مناسب فلز روي خالص، مهم ترين نگراني استفاده از آن به عنوان استنت، استحكام مكانيكي ضعيف آن مي باشد. بنابراين هدف از پژوهش حاضر توسعه و فراوري آلياژ پايه روي به منظور تامين خواص مكانيكي مورد نظر بوده است. لذا در فاز اول اين پژوهش، بعد از انتخاب سيستم هاي آلياژي مناسب بر اساس نتايج ساير محققين، نمونه هاي اوليه آلياژهاي منتخب، ريخته گري گرديده و پس از آن تحت همگن سازي و اكستروژن قرار گرفتند. سپس اثر افزودن منگنز بر تحولات ريزساختاري، بافت كريستالوگرافي، خواص مكانيكي و رفتار خوردگي در محيط شبيه¬ساز بدن انسان، بر آلياژ اكسترود شده Zn-0.2Mg¬ مورد مطالعه و بررسي قرار گرفت. نتايج آزمايش¬كشش نشان داد كه استحكام¬تسليم ( MPa 167 )، استحكام¬كششي نهايي ( MPa 225) و ازدياد¬طول نسبي (16%) آلياژ Zn-0.2Mg در اثر افزودن منگنز به ترتيب 35 %، 32 % و 6 % افزايش يافت. مكانيزم هاي اصلي حاكم بر استحكام دهي بدين شرح پيش بيني و مشخص گرديد: كاهش اندازه¬دانه (¬از ¬m¬¬μ 2¬/¬17 به ¬m¬¬μ¬ 1/7)، فعال¬ شدن كسر¬حجمي قابل¬توجه دوقلويي درساختار، افزايش چشم¬گير دانسيته نابجايي¬ها و ساختار¬هاي فرعي، حضور رسوبات¬ MnZn13 در ساختار آلياژ حاوي منگنز علاوه بر حضور ذرات Mg2Zn11 و تحولات بافت كريستالوگرافي. همچنين مي¬توان گفت، تشكيل رسوبات در ابعاد نانو MnZn9 با قابليت جادهي كرنش به كمك فعال¬شدن دوقلويي و نيز چرخش 19"°" دانه¬ها در اثر افزودن منگنز¬، افزايش فاكتور¬اشميد صفحات¬هرمي مرتبه¬¬دوم {112 ̅2}به عنوان سيستم لغزش ثانويه در راستاي قابليت تغييرشكل بيشتر اين مواد مي¬توانند نقش داشته باشند. در ادامه ارزيابي خواص خوردگي آلياژها به كمك آزمايش پلاريزاسيون در محلول SBF در دماي بدن انسان نشان داد كه افزودن عناصر آلياژي منيزيم و منگنز باعث افزايش سرعت خوردگي نسبت به روي خالص در شرايط اكسترود شده مي¬شود. در حقيقت، افزودن عناصر¬آلياژي با ايجاد مسيرهاي نفوذ بيشتر، تحولات بافت¬كريستالوگرافي، كاهش اندازه¬دانه و تشكيل رسوبات باعث افزايش سرعت ¬خورگي و تشكيل لايه¬اكسيدي مي¬شوند. اما نتايج امپدانس حاكي از اين است كه لايه¬اكسيدي تشكيل¬شده خاصيت محافظتي بهتري در مقابل تهاجم يون¬هاي كلر خواهد داشت. زيرا تحولات ريزساختاري، منجر شده، با افزايش سينتيك تشكيل لايه¬پسيو، لايه¬اكسيدي يكنواخت و متراكمي را تشكيل دهد كه با مشاهدات ريزساختاري محصولات خوردگي نيز مطابقت دارد. در ادامه جهت ارزيابي تاثير پارامتر¬هاي تغيير¬شكلي (¬دما، نرخ كرنش و كرنش) بر¬تحولات ريزساختاري، مطالعه رفتار تغييرشكل آلياژهاي اكسترود شده به كمك آزمايش فشار¬گرم انجام شده¬است. نتايج نشان داد، كارنرمي در تمام شرايط دما و نرخ¬كرنش با تكيه بر وقوع پديده¬هاي بازيابي و تبلورمجدد رخ داده است. همچنين مطالعات EBSD نشان داد كه مكانيزم تبلورمجدد ديناميكي پيوسته حاكم بوده كه در نتيجه چرخش و به¬هم پيوستن زيردانه¬ها مي¬باشد. همچنين محاسبات نشان داد كه مناسب¬ترين معادله جهت پيش¬بيني تنش¬سيلان اين آلياژها معادله¬نمايي مي¬باشد. از آنجايي كه يكي از روش¬هاي موثر در بهبود خواص¬مكانيكي، فراوري مواد فوق ريزدانه از طريق تغيير¬شكل¬¬¬پلاستيك شديد است، لذا در¬¬ پژوهش¬¬حاضر ارزيابي تحولات¬ريزساختاري، خواص¬مكانيكي و بايوخوردگي آلياژهاي مورد مطالعه طي فرايند آهنگري چند ¬جهته در نظر¬گرفته شد. بررسي¬ها نشان داد كه با افزايش تعداد پاس¬هاي فرايند، اندازه¬دانه توسط مكانيزم¬هاي تبلور¬مجدد حاكم كه شامل تبلور¬مجدد ديناميكي پيوسته (CDRX)¬، تبلور¬مجدد ديناميكي چرخش پيشرونده شبكه (RDRX) و جوانه¬زني متاثر از رسوب (PSN) مي¬باشد، كاهش يافت. همچنين با افزايش تعداد پاس، ميانگين اندازه ¬رسوبات به -دليل خرد شدن كاهش يافته است و از طرفي فاكتور¬اشميد صفحات لغزش غير¬پايه افزايش يافته است كه مي¬توانند در پيشرفت تغييرشكل اثرگذار باشند. آلياژ توسعه يافته Zn-0.2Mg-0.5Mn بعد از 5 پاس فرايند آهنگري¬چند جهته با ميانگين اندازه¬دانه μm 8/0، استحكام¬كششي نهايي MPa 314 ¬و ازدياد¬طول تا شكست حدود 25%¬، نرخ¬خوردگي تا تشكيل لايه¬محافظ يكنواختmm/year 63/0 به استاندارد¬هاي تعريف¬ شده جهت طراحي و ساخت استنت¬هاي زيست تخريب¬پذير نزديك بوده و به عنوان گزينه¬ مورد قبول جهت فراوري و فرايندهاي بعدي توليد استنت پيشنهاد مي¬گردد.

1402/04/05

Effect of severe plastic deformation on microstructural evolution and mechanical property of zinc based biodegradable alloys for biomedical applications

6/9/2024 12:00:00 AM

Zinc and its alloys have recently been introduced as a new class of biodegradable metals with potential application in biodegradable vascular stents. The significant conditions that need to be satisfied by a bioabsorbable vascular stent are mechanical properties, vascular biocompatibility, and degradation. Zn, is an essential trace element in the human body, considered as biocompatible metal. Nevertheless, poor mechanical properties of Zn have limited its widespread applications. Currently, this research is focused on the development of zinc-based alloys for the intended application. So, the Zn-0.2 Mg and Zn-0.2Mg-0.5Mn alloys were prepared from high purity Zn (99.99%) ingot by melting and casting. Then, the alloy ingots were homogenized and then were machined to rods for extrusion. One of the objectives of this study is to investigate the effect of Mn addition on microstructural evolution, mechanical properties, and biocorrosion behaviors of as-extruded Zn-0.2Mg alloy as candidates for degradable biomaterials. The microstructural observations indicated that the addition of Mn element significantly refined a-Zn grains, and the average size decreased from 17.23 μ m to 7.14 μ m. Moreover, Mn-rich intermetallic precipitated alongside eutectic Mg2Zn11 phases. A result of electron backscattered diffraction indicated that manganese has caused grains to rotate 19°, facilitating the activation of non-basal slip as the Schmid factor increases. Mechanical test results showed that the yield strength (YS), ultimate tensile strength (UTS), and elongation (El) of Zn-0.2Mg-0.5Mn alloy is improved by 35.92%, 31.51%, and 6.65%, respectively, compared with Zn-0.2 Mg alloy. The main mechanisms responsible for the improvement of mechanical properties were higher volume fraction of the particles, grain refinement, texture modification, and deformation twining formed by Mn addition. The electrochemical test in SBF solution at human body temperature revealed that the corrosion rate of Mn-containing alloy increased from compared to the as extruded pure Zinc. The addition of such alloying elements increases the corrosion rate of fine-grained alloys by providing high diffusivity paths. This is in agreement with EIS results which implies that grain refinement provides better conditions for oxide layer and enhance the kinetics of passivation. In the following step, the deformation behavior of the experimental alloys was studied using compression tests. The compressive deformation was applied up to 1.6 true strain at a wide range of temperature, strain rates and strain. Microstructural observations indicated that dynamic recrystallization occurred at the alldeformation conditions. Electron back scattered diffraction results implied that continuous dynamic recrystallization (CDRX) was operative during compression through progressive lattice rotation mechanism. With increasing compressive strain, the DRX more progressed. Also, as the deformation temperature and strain rate decreased the volume fraction of DRX grains increased. The flow stress of the experimental alloys was successfully modeled based on an exponential. The researchers stated that grain refinement could be another method of enhancing the mechanical performance of materials. Compared with conventional deformation, severe plastic deformation (SPD) with large strains, showed a strong grain refinement, second particles evolutions, and texture modification effect. so, this study systematically investigated the microstructure, mechanical properties and corrosion behaviors of an extruded alloys during multidirectional forging processing at 100 °C, it is important to note that the UFG Zn-0.2Mg-0.5Mn alloy fabricated from 5 pass MDF was found to be a promising biodegradable material capable of meeting the mechanical and corrosion requirements necessary for use as cardiovascular stents in the future. .

آلياژهاي زيست تخريب پذير پايه روي , مكانيزم هاي استحكام دهي , بافت كريستالوگرافي , فرايند آهنگري چندجهته , تبلور مجدد ديناميكي , خواص خوردگي

Zinc based biodegradable alloys , Strengthening mechanisms , Crystallographic texture , Multi directional forging , Dynamic recrystalization , Corrosion properties

Nafise Mollaei

Dr. Mohammad reza Abootalebi