Dependence of Degradation Mechanisms in Magnesium Alloys on Grain Orientation and Interfaces in 3D
(2023) In Diploma work FKMM01 20232Materials Engineering
- Abstract
- Magnesium alloys are promising candidates as biomedical implants. However, a good understanding of their degradation processes is lacking. In this work, degradation in two magnesium alloys were studied in a simple physiological-fluid electrolyte of H2O+0.9wt%NaCl, Mg-5wt%Zn (Z5) & Mg-5wt%Zn-0.3wt%Ca (ZX50). Z5 alloy was studied in two microstructural states, as-cast and as a supersaturated solid solution. Degradation rate and enthalpy were determined using hydrogen gas evolution and isothermal calorimetry, respectively. Diffraction contrast tomography was then used to assess the dependence of grain orientation during degradation of the Z5 material in both the microstructural states by immersion tests in the same electrolyte. Corrosion was... (More)
- Magnesium alloys are promising candidates as biomedical implants. However, a good understanding of their degradation processes is lacking. In this work, degradation in two magnesium alloys were studied in a simple physiological-fluid electrolyte of H2O+0.9wt%NaCl, Mg-5wt%Zn (Z5) & Mg-5wt%Zn-0.3wt%Ca (ZX50). Z5 alloy was studied in two microstructural states, as-cast and as a supersaturated solid solution. Degradation rate and enthalpy were determined using hydrogen gas evolution and isothermal calorimetry, respectively. Diffraction contrast tomography was then used to assess the dependence of grain orientation during degradation of the Z5 material in both the microstructural states by immersion tests in the same electrolyte. Corrosion was observed over the entire samples. Specific regions were identified where the samples were more corroded. These regions showed affinity for both local microstructural properties as well as certain crystallographic orientations. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Idag används stål eller titan som fixtur för benbrott. Dessa måste opereras in, och efter läkning opereras ut igen. En kandidat att ersätta dessa material är Magnesium, vilken naturligt och ofarligt bryts ned i kroppen så en andra operation inte behövs.
För att kunna designa en magnesiumlegering vilken kan användas som implantat vid benbrott måste vi förstå hur nedbrytningsprocessen går till. Förstår vi detta så kan man spara in på en operation och alla risker och kostnader den medför.
I den magnesiumlegering som detta arbete studerat har det visats att det är två faktorer som i huvudsak påverkar var och hur fort materialet bryts ned:
• Hur tätt packade atomerna är i de korn som bryts ned
• Hur de pyttesmå klumparna av iblandade... (More) - Idag används stål eller titan som fixtur för benbrott. Dessa måste opereras in, och efter läkning opereras ut igen. En kandidat att ersätta dessa material är Magnesium, vilken naturligt och ofarligt bryts ned i kroppen så en andra operation inte behövs.
För att kunna designa en magnesiumlegering vilken kan användas som implantat vid benbrott måste vi förstå hur nedbrytningsprocessen går till. Förstår vi detta så kan man spara in på en operation och alla risker och kostnader den medför.
I den magnesiumlegering som detta arbete studerat har det visats att det är två faktorer som i huvudsak påverkar var och hur fort materialet bryts ned:
• Hur tätt packade atomerna är i de korn som bryts ned
• Hur de pyttesmå klumparna av iblandade ämnen är spridda
Metaller byggs upp av atomer vilka sitter på specifika platser i ett gitter. I dessa gitter kan plan av atomer definieras och vissa i plan sitter atomerna tätare. Där atomerna sitter tätare är de starkare bundna till varandra och därmed är det svårare för dessa att lossna i en nedbrytningsprocess.
När en metall stelnar från en smälta bildas flera av dessa gitter-system samtidigt till det ordnade gittret, dessa olika system kallas korn. Varje korn har sina plan pekandes på sitt sätt. Detta gör att ett material kan få olika egenskaper beroende på hur de olika kornen är orienterade, till exempel kan ett lager där atomerna inte sitter så tätt lättare reagera med något i omgivningen.
Ett fenomen av de olika riktningarna bland kornen är att röntgenstrålar studsar i olika mönster ifrån korn beroende på i vilka riktningar planen pekar, detta gör det möjligt att ifrån mönstren baklänges se hur kornen sitter och i vilka riktningar kornens plan pekar.
Smälts flera metaller tillsammans och sedan stelnar bildas en legering, en mix av metallerna. De olika metallerna där i har olika egenskaper, till exempel hur hårt de håller i sina elektroner (mäts i elektronegativitet). Under tiden som legeringen stelnar kommer lokala skillnader göra att vissa pyttesmå klumpar med en annan sammansättning och egenskaper än bulkmaterialet bildas, ungefär som luftbubblor i isbitar. Den egenskap som spelar störst roll i nedbrytningen av en metall är elektronegativiteten. En sådan klump med en högre elektronegativitet än bulkmaterialet kommer dra åt sig elektroner från bulkmaterialet, vilket gör att bulkmaterialet börjar genomgå en kemisk reaktion vilket är nedbrytningen. Detta är faktiskt samma process som gör att batterier fungerar.
Magnesium, vilket är bulkmaterialet, har lägre elektronegativitet än alla rimliga legeringskandidater.
Ska en metall tillverkas för att användas i kroppen är det viktigt att ha koll på så att allt som är där i är ofarligt. Magnesium, Zink och Kalcium är exempel på metaller som vi naturligt redan har i kroppen, de finns även som kosttillskott på mataffär eller apotek. Zink och Kalcium har båda högre elektronegativitet än Magnesium.
Tidigare forskning har visat att vi faktiskt kan påverka hur stora kornen är via vilka andra ämnen man legerar med, Kalcium gör till exempel kornen mindre.
Det visar även att de ytor av kornen som hamnar utåt kan vi påverka genom hur man framställer och bearbetar legeringen. Detta tar oss ett steg närmare att skapa en metall för att spara en operation. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9146487
- author
- Ranstad, Johan
- supervisor
-
- Dmytro Orlov LU
- organization
- course
- FKMM01 20232
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Mg-Zn alloys, Diffraction contrast tomography, Isothermal Calorimetry, Immersion testing, Corrosion Rate, Microgalvanic coupling.
- publication/series
- Diploma work
- report number
- LUTFD2/TFMT—23/5068--SE
- other publication id
- ISRN
- language
- English
- id
- 9146487
- date added to LUP
- 2024-01-23 11:03:04
- date last changed
- 2024-01-23 11:03:04
@misc{9146487,
abstract = {{Magnesium alloys are promising candidates as biomedical implants. However, a good understanding of their degradation processes is lacking. In this work, degradation in two magnesium alloys were studied in a simple physiological-fluid electrolyte of H2O+0.9wt%NaCl, Mg-5wt%Zn (Z5) & Mg-5wt%Zn-0.3wt%Ca (ZX50). Z5 alloy was studied in two microstructural states, as-cast and as a supersaturated solid solution. Degradation rate and enthalpy were determined using hydrogen gas evolution and isothermal calorimetry, respectively. Diffraction contrast tomography was then used to assess the dependence of grain orientation during degradation of the Z5 material in both the microstructural states by immersion tests in the same electrolyte. Corrosion was observed over the entire samples. Specific regions were identified where the samples were more corroded. These regions showed affinity for both local microstructural properties as well as certain crystallographic orientations.}},
author = {{Ranstad, Johan}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
series = {{Diploma work}},
title = {{Dependence of Degradation Mechanisms in Magnesium Alloys on Grain Orientation and Interfaces in 3D}},
year = {{2023}},
}