Влияние интенсивной пластической деформации на структуру и свойства сплава Zn–1%Li–2%Mg

Abstract

Through the optimization of processing parameters, including pressure, temperature, and deformation degree, a high pressure torsion (HPT) regime was identified. This regime allows for the creation of a unique microstructure in the biodegradable Zn–1%Li–2%Mg alloy, which exhibits exceptional physical and mechanical properties. Following 10 revolutions of HPT treatment (resulting in an accumulated deformation degree, γ = 571) at the temperature of 150 °C and an applied pressure of 6 GPa, the Zn–1%Li–2%Mg alloy displayed notable mechanical characteristics, including a high yield strength (~385 MPa), ultimate tensile strength (~490 MPa), and ductility (44 %) during tensile tests. To elucidate the underlying reasons for these remarkable mechanical properties, an examination of the alloy’s microstructure was conducted employing electron microscopy and X-ray phase analysis (XPA). The study revealed the formation of a distinct microstructure characterized by alternating bands of the α-phase Zn, a mixture of Zn and ~LiZn3 phases, as well as the α-phase Zn containing Mg2Zn11 particles, as a consequence of HPT treatment. Additionally, it was observed that HPT treatment induced a dynamic strain aging process, leading to the precipitation of Zn particles in the LiZn3 phase and the precipitation of Mg2Zn11 and β-LiZn4 particles in the Zn phase. These precipitated particles exhibited a nearly spherical shape. The application of the XPA method helped to confirm that the Zn phase becomes the predominant phase during HPT treatment, and microscopy data showed the formation of an ultra-fine grained (UFG) structure within this phase. A comprehensive analysis of the hardening mechanisms, based on the newly acquired microstructural insights, revealed that enhanced strength and ductility of the Zn–1%Li–2%Mg UFG alloy can be attributed primarily to the effects of dispersion, grain boundary, and heterodeformation-induced hardening, including dislocation strengthening.Путем оптимизации параметров процессинга (давление, температура, степень деформации) найден режим интенсивной пластической деформации кручения (ИПДК), позволяющий сформировать в биоразлагаемом сплаве Zn–1%Li–2%Mg необычную микроструктуру, проявляющую уникальные физико-механические свойства. Так, после 10 оборотов ИПДК (степень накопленной деформации γ = 571), реализованной при температуре 150 °C и приложенном давлении 6 ГПа, сплав Zn–1%Li–2%Mg при испытаниях на растяжение продемонстрировал высокие показатели предела текучести (~385 МПа), предела прочности (~ 490 МПа) и пластичности (44 %). Для объяснения причин уникальных механических характеристик данного материала проанализирована его микроструктура методами электронной микроскопии и рентгенофазового анализа (РФА). Показано, что в сплаве в результате ИПДК формируется особая микроструктура, состоящая из чередующихся полос α-фазы Zn, смеси фаз Zn и ~LiZn3, а также α-фазы Zn, содержащей частицы Mg2Zn11. Установлено, что при обработке ИПДК также реализуется процесс динамического старения, в результате которого в фазе ~LiZn3 выпадают частицы Zn, а в фазе Zn – Mg2Zn11 и β-LiZn4. При этом показано, что эти частицы по форме близки к сфере. Методом РФА также установлено, что при обработке ИПДК основной становится фаза Zn, в которой, по данным микроскопии, формируется ультрамелкозернистая (УМЗ) структура. Анализ механизмов упрочнения, основанный на полученных новых сведениях о микроструктуре, показал, что основными причинами повышения прочности и пластичности УМЗ-сплава Zn–1%Li–2%Mg являются воздействия дисперсионного, зернограничного и гетеродеформационного типов упрочнения, включая дислокационный тип