ИСТИНА

Цинк и его сплавы с магнием относятся к классу биосовместимых и биоразлагаемых материалов, которые имеют большие перспективы для широкого использования в медицине. Однако хрупкость и недостаточная пластичность чистого цинка и его сплавов с магнием ограничивает их использование при изготовлении медицинских биоразлагаемых имплантатов. По этой причине возможность улучшения пластических свойств данных материалов с использованием традиционных методов их обработки, например, таких как приведенный в настоящей работе метод рекристаллизационного отжига, помог бы расширить данные перспективы. При этом основная трудность при поиске оптимального режима термообработки состоит в том, чтобы подобрать такие температуру в печи, время выдержки и время охлаждения образцов, чтобы добиться наибольшего увеличения значения предельной пластической деформации до разрушения, обеспечив при этом незначительные потери в прочности (а желательно вообще избежав этих потерь). Необходимо отметить такую особенность цинка, как наличие в нем значительного количества трещин с размерами от нескольких мкм до 100 мкм, возникших случайным образом в процессе литья или при последующей механической обработке. Такие дефекты невозможно устранить термообработкой металла. Между тем эти дефекты (при их наличии) приводят к преждевременному хрупкому разрушению образца при его растяжении. В настоящей работе исследуются различные режимы термообработки цинка марки ЦО (Zn 99,975%) [1], начиная с возврата металла и заканчивая рекристаллизационным отжигом [2,3] и их влияние на пластические свойства (предел текучести, предел прочности и предельную пластическую деформация до разрушения) [4]. Собирательная рекристаллизация в чистом цинке (Zn 99,99%) начинается уже при комнатной температуре. Однако температура рекристаллизации цинка увеличивается с увеличением содержания примесей. Очень сильное влияние на нее оказывает их химический состав [3]. Цинк марки ЦО начинает изменять поликристаллическую структуру при температуре 50°С. В то же время, температура рекристаллизации может достигать нескольких сотен градусов Цельсия в разбавленных сплавах цинка с магнием или алюминием, когда содержание этих металлов в цинке составляет всего лишь 0,1%). Систематические данные об изменении температуры собирательной рекристаллизации от химического состава примесей цинка в литературе отсутствуют. Кроме того, в литературе отсутствую данные о режимах возврата и отжига цинка марки ЦО, позволяющих понизить хрупкость металла и увеличить его предельную пластическую деформацию до разрушения. Цель настоящей работы заключалась в исследовании влияния термообработки (в широком смысле) на пластические свойства металла. Поэтому температура в печи варьировалась от 50°С до 250°С, время выдержки от 3,5 мин до 270 мин, режимы охлаждения от 10 мин при температуре 3°С до 23 мин при комнатной температуре 22°С. При этом на уровне микроструктуры в материале происходили процессы, начиная с частичной релаксации внутренних остаточных напряжений, возникших в результате прокатки, и заканчивая полной перестройкой всей кристаллической структуры металла. Изучалось изменения следующих механических макроскопических характеристик цинка: упругих модулей, предела текучести, предела прочности и предельной пластической деформации до разрушения. Параллельно анализировались изменения, произошедшие в микроструктуре металла. На изготовленных шлифах исследовались размеры и формы зерен и наличие/отсутствие микродефектов (двойников, микропор, микротрещин и дислокаций). При проведении экспериментов применялось следующее основное оборудование: - печь СНОЛ 2.5.2.5.2.5/2; - универсальная разрывная машина «MTS Synergy 400»; - оптческий микроскоп «Zeiss Axio Imager.D1m»; - сканирующий электронный микроскоп «Quanta 650». Образцы для испытаний на растяжение вырезались механическим способом из горячекатаного листа металла вдоль направления прокатки, после чего им придавалась соответствующая форма путем электроэрозионной обработки. Исследуемый горячекатаный цинк марки ЦО имеет поликристаллическую структуру. Материал имеет сравнительно однородную структуру со средним размерами зерен от нескольких 10 мкм до нескольких 100 мкм. Причем зерна были немного вытянуты вдоль направления прокатки. Внутри некоторых зерен хорошо просматриваются множественные двойники. В результате исследования изменений поликристаллических структур на шлифах можно заключить, что при пластическом деформировании цинка этой марки вплоть до момента разрыва динамическая рекристаллизация проходит медленно. Однако, в то же время значительно увеличивается количество двойников в зернах. В процессе рассматриваемого рекристаллизационного отжига (при увеличении времени выдержки) в цинке происходит постепенное уменьшение количества двойников в зернах, в то время как уменьшение размера зерен начинает происходить, если время выдержки превышает 150 мин. После рассматриваемого рекристаллизационного отжига в цинке происходит значительное уменьшение количества двойников в зернах, в то время как размер зерен изменяется незначительно. В результате экспериментов установлено, что оптимальным из рассмотренных режимов термообработки, позволяющим существенно улучшить пластичность цинка, является рекристаллизационный отжиг при температуре 205°С, время выдержки в печи 210мин, охлаждении в течение 23мин при комнатной температуре 22°С. При этом удалось существенно улучшить пластические характеристики металла: предел текучести термообработанного цинка уменьшился на 4.6%, предел прочности не изменился (в пределах ошибки изменений), а предельная пластическая деформация до разрушения увеличилась на 38,6%. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-08-00958. Литература 1. ГОСТ 3640-94 Цинк. Технические условия. Взамен ГОСТ 3640-79. Введен 01.01.1997. Москва. Межгос.совет по стандартизации, метрологии и сертификации. – М.: Стандартинформ, 2011. 5 с. 2. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Издание 4-е переработанное и дополненное – М.: Металлургия, 1986. 503 c. 3. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение. Введен 1986.01.01. Москва. Государственный стандарт союза ССР. – М.:Стандартинформ, 2008. 7 с. 4. Кудрявцев И.В. Цветные металлы и сплавы. – М.:Машиностроение, 1997. 367 с.