Effects of Zinc Concentration and Initial Condition on Precipitation Kinetics of Magnesium Alloys
(2024) MMTM05 20241Production and Materials Engineering
- Abstract
- Magnesium alloys are promising candidates for biomedical implants due to their ability to dissolve in the human body, which improves the surgical procedures making a secondary surgery to remove the implant unnecessary. However, one of the main challenges magnesium alloys faces in terms of an implant is their inferior strength compared to such permanent implant materials as stainless steel and titanium.
In this work, Mg-Zn based alloys of high, medium and low zinc quantities and different processing states, homogenized and extruded, were heat treated to find peak aging time, which optimizes materials strength. During aging, the specimens were periodically extracted, and hardness tested to follow the process kinetics. It has been found... (More) - Magnesium alloys are promising candidates for biomedical implants due to their ability to dissolve in the human body, which improves the surgical procedures making a secondary surgery to remove the implant unnecessary. However, one of the main challenges magnesium alloys faces in terms of an implant is their inferior strength compared to such permanent implant materials as stainless steel and titanium.
In this work, Mg-Zn based alloys of high, medium and low zinc quantities and different processing states, homogenized and extruded, were heat treated to find peak aging time, which optimizes materials strength. During aging, the specimens were periodically extracted, and hardness tested to follow the process kinetics. It has been found that both the quantity of Zn in the Mg alloys, and processing state have significant impact on both aging kinetics and maximum hardness level at peak aging.Furthermore, the specimen microstructure was studied with SEM to analyze grain sizes and intermetallic particle structure. Grain sizes were determined by linear intercept method. Homogenized material showed bigger grain size and lower quantities of particles compared to the extruded samples. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Magnesium är en silvervit metall med unika egenskaper som gör den väldigt intressant. Metallen är bland de lättaste med en densitet på 1.74 g/cm3, återvinningsbar och leder ström. Magnesium är biologiskt nedbrytbart i kroppen och anses därmed vara en utav de främsta kandidaterna för biomedicinska implantat. En utav utmaningarna med användning av magnesium som implantat är dess begränsande inneboende mekaniska egenskaper som styrka och hårdhet. Magnesium och dess legering uppvisar lägre hårdhet jämfört med andra biomedicinska implantat som titan och stål. Numera används titan och stål för biologiska implantat, dessa material måste operareas ut efter läkemedelsprocessen vilket inte behöver göras för magnesium, vilket leder till att en... (More)
- Magnesium är en silvervit metall med unika egenskaper som gör den väldigt intressant. Metallen är bland de lättaste med en densitet på 1.74 g/cm3, återvinningsbar och leder ström. Magnesium är biologiskt nedbrytbart i kroppen och anses därmed vara en utav de främsta kandidaterna för biomedicinska implantat. En utav utmaningarna med användning av magnesium som implantat är dess begränsande inneboende mekaniska egenskaper som styrka och hårdhet. Magnesium och dess legering uppvisar lägre hårdhet jämfört med andra biomedicinska implantat som titan och stål. Numera används titan och stål för biologiska implantat, dessa material måste operareas ut efter läkemedelsprocessen vilket inte behöver göras för magnesium, vilket leder till att en sekundär operation inte skulle behövas genomföras. Ett område som har användning för förbättrad styrka och hårdhet av magnesium inom biologiskt implantat är de ortopediska, såsom skruvar och plattor som används för att fixera frakturer. Dessa måste utstå mekaniska påfrestningar samtidigt som de integrerar med kroppsvävnader. Slitstyrkan är direkt korrelerad till hårdhet och i biomedicinska implantat genererar högre hårdhet minskat slitage vid upprepad kontakt med andra kroppsdelar. Magnesium baserat implantat med optimerad hårdhet skulle innebära minskade hälsorisker och kostnader med tanke på materialet kan lösas upp i regereningsprocessen.
Innan tillämpningen av magnesium som implantat verkställs måste styrkan och hårdheten för implantatet optimeras. Detta görs med hjälp av en värmebehandlings process där magnesium åldras under en viss tid fram tills att högsta åldrandet är hittad, tidigare forskning har visat att Mg-Zn legeringar åldras mest utav alla Mg-legeringar. Åldrande är en värmebehandlingsmetod där Mg-Zn legeringar upphettas i en specifik temperatur och långsamt kyls ned. Denna process förändrar legeringens mikrostruktur vilket förbättrar dess mekaniska egenskaper.
I detta arbete genomgår Mg-Zn-legeringar av olika legeringssammansättning av hög-, medel- och låg zink tillsammans med olika bearbetningssteg, homogeniserade och extraherade åldringsvärmebehandling för att hitta toppåldring som optimerar materialens styrka och hårdhet, vidare studeras materialets ytmorfologi. Materialets hårdhets fås med hjälp av en hårdhetstest där hårdheten mäts varje timme efter åldring, denna undersökning utgör den största delen av arbetet.
Med zink som en legeringskomponent till magnesium förbättras dess styrka och hårdhet utan att vikten komprimeras. Anledningen är att zinkatomerna förvränger magnesiumgittret och hindrar dislokation rörelser som följaktligen ger upphov till ett starkare material. Under höga temperaturer accelereras fällningarna samtidigt som de blir grövre. Tiden spelar en viktig roll i åldringsprocessen eftersom längre tider eventuellt kan leda till överåldring. Detta fenomen resulterar i övervuxna fällningar, vilket minskar effektiviteten i att hindra dislokationer och minskar legeringshållfastheten. Kinetiken hos zink påverkar åldringsprocessen direkt. Åldringskinetiken är snabbare vid förhöjd temperatur där toppåldringen nås snabbare i jämförelse till lägre temperaturer. Vid temperaturer under 149 °C härdar G.P-zoner legeringen efter långa åldringstider. Men vid åldringstemperaturer över 149 °C bildar Mg-Zn-stavar en härdande fällningen och åldras därmed snabbare. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9153979
- author
- Yuku, Marius LU
- supervisor
-
- Dmytro Orlov LU
- organization
- course
- MMTM05 20241
- year
- 2024
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Magnesium, Zinc, Mg-Zn alloys, precipitates, hardness, morphology, HCP, SEM, grain boundary, extrusion, homogenization, aging, peak aging, kinetics, temperature
- report number
- CODEN:LUTMDN/(TMMV-5360)/1-63/2024
- language
- English
- id
- 9153979
- date added to LUP
- 2024-05-24 15:28:04
- date last changed
- 2024-05-29 10:53:33
@misc{9153979,
abstract = {{Magnesium alloys are promising candidates for biomedical implants due to their ability to dissolve in the human body, which improves the surgical procedures making a secondary surgery to remove the implant unnecessary. However, one of the main challenges magnesium alloys faces in terms of an implant is their inferior strength compared to such permanent implant materials as stainless steel and titanium.
In this work, Mg-Zn based alloys of high, medium and low zinc quantities and different processing states, homogenized and extruded, were heat treated to find peak aging time, which optimizes materials strength. During aging, the specimens were periodically extracted, and hardness tested to follow the process kinetics. It has been found that both the quantity of Zn in the Mg alloys, and processing state have significant impact on both aging kinetics and maximum hardness level at peak aging.Furthermore, the specimen microstructure was studied with SEM to analyze grain sizes and intermetallic particle structure. Grain sizes were determined by linear intercept method. Homogenized material showed bigger grain size and lower quantities of particles compared to the extruded samples.}},
author = {{Yuku, Marius}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Effects of Zinc Concentration and Initial Condition on Precipitation Kinetics of Magnesium Alloys}},
year = {{2024}},
}