Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University43010.18323/2782-4039-2022-2-105-112ArticlesСтатьиThe structure and mechanical properties of biomedical magnesium alloy Mg–1%Zn–0.2%CaСтруктура и механические свойства биомедицинского магниевого сплава Mg–1%Zn–0,2%Cahttps://orcid.org/0000-0002-1273-8518KhudododovaGandzhina D.ХудододоваГанджина Дастамбуевна
Russian Federation

engineer of the Science Research Institute of Innovative Technologies and Materials

инженер Научно-исследовательского института физики перспективных материалов

khudododova.gd@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1761-336XKulyasovaOlga B.КулясоваОльга Борисовна
Russian Federation

PhD (Engineering), senior researcher of the Laboratory of Multifunctional Materials

кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории многофункциональных материалов

elokbox@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1280-6258NafikovRuslan K.НафиковРуслан Камилович
Russian Federation

engineer of the Youth Research Laboratory of the REC “Metals and Alloys under Extreme Impacts”

инженер Молодежной научно-исследовательской лаборатории НОЦ «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях»

nafickov.ruslan2011@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6234-7363IslamgalievRinat K.ИсламгалиевРинат Кадыханович
Russian Federation

Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor, professor of Chair of Materials Science and Physics of Metals

доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры материаловедения и физики металлов

rinatis@mail.ruUfa State Aviation Technical University, UfaУфимский государственный авиационный технический университет, УфаBashkir State University, UfaБашкирский государственный университет, УфаУфимский государственный авиационный технический университет, Уфа30062022210511230062022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/430

It is known, that magnesium-based alloys are the appropriate materials to be used as biodegradable metals to produce new-generation medical implants. Magnesium can decompose in the human body during the healing process. If dissolution is controlled, there is no need in additional operation for implant removal after healing completion. Particularly, Mg-Zn-Ca alloys are considered the most appropriate biodegradable metal implants due to their biocompatibility. In the Mg-Zn-Ca alloys, the addition of Zn and Ca as alloying elements can improve the mechanical properties and increase the corrosion resistance compared to pure Mg without affecting biocompatibility. The work covers the study of the structure and mechanical properties of the magnesium Mg-1%Zn-0.2%Ca alloy after severe plastic deformation (SPD). The research of the structure was carried out using scanning and transmission electron microscopy. The study of mechanical properties was carried out by measuring microhardness and tension tests. The study shows that applying the equal channel angular pressing (ECAP) method and additional treatment with the severe plastic deformation (SPD) method to the Mg–1%Zn–0.2%Ca alloy leads to the formation of the ultra-fine grain (UFG) structure with the average grain size of less than 1 micron. The authors identified that, as a result of strong refinement of the magnesium alloy grain structure, the ultimate strength increases twice up to 283 MPa compared to the homogenized state, when the ultimate strength is 125 MPa. At the same time, in the UFG state, the plasticity significantly decreases up to 3 %.

Известно, что сплавы на основе магния являются подходящими материалами для использования в качестве биоразлагаемых металлов для изготовления медицинских имплантатов нового поколения. Магний может растворяться в человеческом организме в процессе заживления. Если растворение контролируется, то после завершения заживления не требуется дополнительная операция по удалению имплантата. В частности, сплавы системы Mg–Zn–Ca считаются наиболее подходящими для биоразлагаемых металлических имплантатов вследствие их биосовместимости. В сплавах Mg–Zn–Ca добавление Zn и Ca в качестве легирующих элементов может улучшить механические свойства и повысить коррозионную стойкость по сравнению с чистым Mg без ущерба для биосовместимости. Работа посвящена исследованию структуры и механических свойств магниевого сплава Mg–1%Zn–0,2%Ca, подвергнутого интенсивной пластической деформации (ИПД). Исследования структуры проведены с применением растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Исследования механических свойств выполнены методами измерения микротвердости и испытаний на растяжение. Показано, что применение метода равноканального углового прессования (РКУП) и дополнительной обработки методом интенсивной пластической деформации (ИПДК) к сплаву Mg–1%Zn–0,2%Ca ведет к формированию ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры со средним размером зерна менее 1 мкм. Обнаружено, что в результате сильного измельчения зеренной структуры магниевого сплава происходит значительное повышение предела прочности более чем в 2 раза до 283 МПа по сравнению с гомогенизированным состоянием, в котором наблюдался предел прочности 125 МПа. При этом одновременно в УМЗ состоянии наблюдается существенное снижение пластичности до 3 %.

Mg–1%Zn–0.2%CaECAPSPDUFG structuremechanical propertiesMg–1%Zn–0,2%CaРКУПИПДКУМЗ структурамеханические свойстваThe work was supported by the Russian Science Foundation No. 20-63-47027. The experimental part was carried out with the use of the equipment of the “Nanotech” Core Facility Center of the FSBI HE “USATU”. R.K. Nafikov expresses his gratitude to the Ministry of Science and Higher Education of the RF for financial support within the state assignment of the FSBI HE “USATU” (Agreement No. 075-03-2021-014/4). The paper was written on the reports of the participants of the X International School of Physical Materials Science (SPM-2021), Togliatti, September 13–17, 2021.Работа выполнена при поддержке РНФ № 20-63-47027. Экспериментальная часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП «Нанотех» ФГБОУ ВО «УГАТУ». Р.К. Нафиков благодарит за финансовую поддержку Министерство науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания ФГБОУ ВО «УГАТУ» (соглашение № 075-03-2021-014/4). Статья подготовлена по материалам докладов участников X Международной школы «Физическое материаловедение» (ШФМ-2021), Тольятти, 13–17 сентября 2021 года.Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Lengdon T.Dzh. Ob’emnye nanostrukturnye materialy: fundamentalnye osnovy i primeneniya [Multidimensional nanostructured materials: fundamental principles and applications]. Sankt Petersburg, Eko-Vektor Publ., 2017. 479 p.Валиев Р.З., Жиляев А.П., Лэнгдон Т.Дж. Объемные наноструктурные материалы: фундаментальные основы и применения. СПб.: Эко-Вектор, 2017. 479 с.Shi X., Li W., Hu W., Tan Y., Zhang Zh., Tian L. Effect of ECAP on the Microstructure and Mechanical Properties of a Rolled Mg-2Y-0.6Nd-0.6Zr. Magnesium Alloy. Crystals, 2019, vol. 9, no. 11, article number 586. DOI: 10.3390/cryst9110586.Shi X., Li W., Hu W., Tan Y., Zhang Zh., Tian L. Effect of ECAP on the Microstructure and Mechanical Properties of a Rolled Mg-2Y-0.6Nd-0.6Zr. Magnesium Alloy // Crystals. 2019. Vol. 9. № 11. Article number 586. DOI: 10.3390/cryst9110586.Valiev R.Z., Estrin Y., Horita Z., Langdon T.G., Zehetbauer M.J., Zhu Y.T. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation: Ten years later. JOM, 2016, vol. 68, no. 4, pp. 33–39. DOI: 10.1007/S11837-006-0213-7.Valiev R.Z., Estrin Y., Horita Z., Langdon T.G., Zehetbauer M.J., Zhu Y.T. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation: Ten years later // JOM. 2016. Vol. 68. № 4. P. 33–39. DOI: 10.1007/S11837-006-0213-7.Agnew S.R., Duygulu O. A mechanistic understanding of the formability of magnesium: Examining the role of temperature on the deformation mechanisms. Materials Science Forum, 2003, vol. 419-422, no. 1, pp. 177–188. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.419-422.177.Agnew S.R., Duygulu O. A mechanistic understanding of the formability of magnesium: Examining the role of temperature on the deformation mechanisms // Materials Science Forum. 2003. Vol. 419-422. № 1. P. 177–188. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.419-422.177.Lin J., Ren W., Wang Q., Ma L., Chen Y. Influence of grain size and texture on the yield strength of Mg alloys processed by severe plastic deformation. Advances in Materials Science and Engineering, 2014, vol. 2014, pp. 356–572. DOI: 10.1155/2014/356572.Lin J., Ren W., Wang Q., Ma L., Chen Y. Influence of grain size and texture on the yield strength of Mg alloys processed by severe plastic deformation // Advances in Materials Science and Engineering. 2014. Vol. 2014. P. 356–572. DOI: 10.1155/2014/356572.Figueiredo R.B., Langdon T.G. Grain refinement and mechanical behavior of a magnesium alloy processed by ECAP. Journal of Materials Science, 2010, vol. 45, no. 17, pp. 4827–4836. DOI: 10.1007/s10853-010-4589-y.Figueiredo R.B., Langdon T.G. Grain refinement and mechanical behavior of a magnesium alloy processed by ECAP // Journal of Materials Science. 2010. Vol. 45. № 17. P. 4827–4836. DOI: 10.1007/s10853-010-4589-y.Ding S.X., Chang C.P., Kao P.W. Effects of processing parameters on the grain refinement of magnesium alloy by equal-channel angular extrusion. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 2009, vol. 40, no. 2, pp. 415–425. DOI: 10.1007/s11661-008-9747-3.Ding S.X., Chang C.P., Kao P.W. Effects of processing parameters on the grain refinement of magnesium alloy by equal-channel angular extrusion // Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science. 2009. Vol. 40. № 2. P. 415–425. DOI: 10.1007/s11661-008-9747-3.Yamashita A., Horita Z., Langdon T.G. Improving the mechanical properties of magnesium and a magnesium alloy through severe plastic deformation. Materials Science and Engineering A, 2001, vol. 300, no. 1-2, pp. 142–147. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01660-9.Yamashita A., Horita Z., Langdon T.G. Improving the mechanical properties of magnesium and a magnesium alloy through severe plastic deformation // Materials Science and Engineering A. 2001. Vol. 300. № 1-2. P. 142–147. DOI: 10.1016/S0921-5093(00)01660-9.Kulyasova O., Islamgaliev R., Mingler B., Zehetbauer M. Microstructure and fatigue properties of the ultrafine-grained AM60 magnesium alloy processed by equal-channel angular pressing. Materials Science and Engineering A, 2009, vol. 503, no. 1-2, pp. 176–180. DOI: 10.1016/j.msea.2008.03.057.Kulyasova O., Islamgaliev R., Mingler B., Zehetbauer M. Microstructure and fatigue properties of the ultrafine-grained AM60 magnesium alloy processed by equal-channel angular pressing // Materials Science and Engineering A. 2009. Vol. 503. № 1-2. P. 176–180. DOI: 10.1016/j.msea.2008.03.057.Li W., Guan S., Chen J., Hu J., Chen S., Wang L., Zhu S. Preparation and in vitro degradation of the composite coating with high adhesion strength on biodegradation Mg–Zn–Ca alloy. Materials Characterization, 2011, vol. 62, no. 12, pp. 1158–1165. DOI: 10.1016/j.matchar.2011.07.005.Li W., Guan S., Chen J., Hu J., Chen S., Wang L., Zhu S. Preparation and in vitro degradation of the composite coating with high adhesion strength on biodegradation Mg–Zn–Ca alloy // Materials Characterization. 2011. Vol. 62. № 12. P. 1158–1165. DOI: 10.1016/j.matchar.2011.07.005.Gong Ch., He X., Yan X. Corrosion behavior of Mg–Ca–Zn alloys with high Zn content. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2021, vol. 152, article number 109952. DOI: 10.1016/j.jpcs.2021.109952.Gong Ch., He X., Yan X. Corrosion behavior of Mg–Ca–Zn alloys with high Zn content // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2021. Vol. 152. Article number 109952. DOI: 10.1016/j.jpcs.2021.109952.Kim W.C., Kim J.G., Lee J.Y., Seol H.K. Influence of Ca on the corrosion properties of magnesium for biomaterials. Materials Letters, 2008, vol. 62, no. 25, pp. 4146–4148. DOI: 10.1016/j.matlet.2008.06.028.Kim W.C., Kim J.G., Lee J.Y., Seol H.K. Influence of Ca on the corrosion properties of magnesium for biomaterials // Materials Letters. 2008. Vol. 62. № 25. P. 4146–4148. DOI: 10.1016/j.matlet.2008.06.028.Parfenov E.V., Kulyasova O.B., Mukaeva V.R., Mingo B., Farrakhov R.G., Cherneikina Ya.V., Yerokhin A., Zheng Y.F., Valiev R.Z. Influence of ultra-fine grain structure on corrosion behaviour of biodegradable Mg-1Ca alloy. Corrosion Science, 2020, vol. 163, article number 108303. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108303.Parfenov E.V., Kulyasova O.B., Mukaeva V.R., Mingo B., Farrakhov R.G., Cherneikina Ya.V., Yerokhin A., Zheng Y.F., Valiev R.Z. Influence of ultra-fine grain structure on corrosion behaviour of biodegradable Mg-1Ca alloy // Corrosion Science. 2020. Vol. 163. Article number 108303. DOI: 10.1016/j.corsci.2019.108303.Akash G., Chandrasekhar B., Saxena K.K. Effect of equal-channel angular pressing on mechanical properties: An overview. Materials Today: Proceedings, 2021, vol. 45, pp. 5602–5607. DOI: 10.1016/J.MATPR.2021.02.317.Akash G., Chandrasekhar B., Saxena K.K. Effect of equal-channel angular pressing on mechanical properties: An overview // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 45. P. 5602–5607. DOI: 10.1016/J.MATPR.2021.02.317.Cihova M., Martinelli E., Schmutz P., Myrissa A., Schäublin R., Weinberg A.M., Uggowitzer P.J., Löffler J.F. The role of zinc in the biocorrosion behavior of resorbable Mg‒Zn‒Ca alloys. Acta Biomaterialia, 2019, vol. 100, pp. 398–414. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.09.021.Cihova M., Martinelli E., Schmutz P., Myrissa A., Schäublin R., Weinberg A.M., Uggowitzer P.J., Löffler J.F. The role of zinc in the biocorrosion behavior of resorbable Mg‒Zn‒Ca alloys // Acta Biomaterialia. 2019. Vol. 100. P. 398–414. DOI: 10.1016/j.actbio.2019.09.021.Ma Y.Z., Yang C.L., Liu Y.J., Yuan F.-S., Liang S.S., Li H.X., Zhang J.S. Microstructure, mechanical, and corrosion properties of extruded low-alloyed Mg-xZn-0.2Ca alloys. International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, 2019, vol. 26, no. 10, pp. 1274–1284 DOI: 10.1007/s12613-019-1860-3.Ma Y.Z., Yang C.L., Liu Y.J., Yuan F.-S., Liang S.S., Li H.X., Zhang J.S. Microstructure, mechanical, and corrosion properties of extruded low-alloyed Mg-xZn-0.2Ca alloys // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2019. Vol. 26. № 10. P. 1274–1284 DOI: 10.1007/s12613-019-1860-3.Vinogradov A.Yu., Vasilev E.V., Linderov M.L., Merson D.L., Rzhevskaya E.O. He influence of equal channel angular pressing on the structure and mechanical properties of magnesium Mg-Zn-Ca alloys. Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta, 2015, no. 4, pp. 18–24. DOI: 10.18323/2073-5073-2015-4-18-24.Виноградов А.Ю., Васильев Е.В., Линдеров М.Л., Мерсон Д.Л., Ржевская Е.О. Влияние равноканального углового прессования на структуру и механические свойства магниевых сплавов Mg-Zn-Ca // Вектор науки Тольяттинского государственного университета. 2015. № 4. С. 18–24. DOI: 10.18323/2073-5073-2015-4-18-24.Tong L.B., Zheng M.Y., Chang H., Hu X.C., Wu K., Xu S.W., Kamado S., Kojima Y. Microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Ca alloy processed by equal channel angular pressing. Materials and Engineering A, 2009, vol. 523, no. 1-2, pp. 289–294. DOI: 10.1016/j.msea.2009.06.021.Tong L.B., Zheng M.Y., Chang H., Hu X.C., Wu K., Xu S.W., Kamado S., Kojima Y. Microstructure and mechanical properties of Mg-Zn-Ca alloy processed by equal channel angular pressing // Materials and Engineering A. 2009. Vol. 523. № 1-2. P. 289–294. DOI: 10.1016/j.msea.2009.06.021.Zhang B., Hou Y., Wang X., Wang Y., Geng L. Mechanical properties, degradation performance and cytotoxicity of Mg-Zn-Ca biomedical alloys with different compositions. Materials Science and Engineering C, 2011, vol. 31, no. 8, pp. 1667–1673. DOI: 10.1016/j.msec.2011.07.015.Zhang B., Hou Y., Wang X., Wang Y., Geng L. Mechanical properties, degradation performance and cytotoxicity of Mg-Zn-Ca biomedical alloys with different compositions // Materials Science and Engineering C. 2011. Vol. 31. № 8. P. 1667–1673. DOI: 10.1016/j.msec.2011.07.015.Sun Y., Zhang B., Wang Y., Geng L., Jiao X. Preparation and characterization of a new biomedical Mg-Zn-Ca alloy. Materials and Design, 2012, vol. 34, pp. 58–64. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.07.058.Sun Y., Zhang B., Wang Y., Geng L., Jiao X. Preparation and characterization of a new biomedical Mg-Zn-Ca alloy // Materials and Design. 2012. Vol. 34. P. 58–64. DOI: 10.1016/j.matdes.2011.07.058.