生物医用镁合金作为骨植入材料，在承重部位不可避免地会承受机械应力和塑性变形。研究表明，在日常生活中，骨骼会受到压缩、拉伸、弯曲和其他形式的负荷，应力范围约为0.8至40 MPa。以往的研究主要集中在载荷条件下宏观腐蚀行为，特别是腐蚀产物膜的生成和破裂。然而，镁合金在微小压应力作用下的显微组织、腐蚀行为和力学性能的机理尚未得到深入研究。

    在这项工作中，我们构建了一种新型的静态负荷装置（图1）1来模拟骨植入物在人体中的生理负荷条件，深入探讨并揭示了外加微小压应力（0-6.0MPa）对Mg-4Li-1Ca合金组织、力学性能和降解行为的影响机理。

    由图2研究发现，在微压应力作用下，晶粒尺寸出现粗化现象，晶粒随应力增加而长大（图2f）。第二相体积分数沿挤压方向（ED）和晶界处增加。晶粒长大原因主要归因于以下两方面：一方面，Mg-4Li-1Ca合金受到外压应力刺激，内应力梯度刺激晶界迁移。而另一方面，Mg₂Ca偏析产生的阻力可以延迟晶界的迁移，从而阻碍晶粒生长。

    图3和图4分别显示了挤压Mg-4Li-1Ca合金在微压应力下的反极图（inverse pole figure, IPF）和（0001）基面织构演化过程。如图3所示，反极图中并未观察到孪晶晶粒，而第二相处细颗粒的存在可能与颗粒刺激成核（particle stimulation nucleation , PSN）有关。挤压态Mg-4Li-1Ca合金表现出预期的强基底织构（图4）。织构强度的变化经历两个阶段。在0-3.0 MPa下，Mg合金晶体结构的c轴垂直于压缩加载方向，导致(0001)基底织构向ED旋转，织构强度降低且晶粒取向差异逐渐增大。随后，在4.5-6.0 MPa的微压应力下，(0001)基底取向旋转以适应变形，最大极性密度从25.12降低到19.02。

    在整个压缩加载过程中，位错可能会积聚并引起应力集中，导致晶界周围形成团簇并形成剪切带（图5）。α-Mg基体相和第二相Mg2Ca颗粒同时发生弹性变形，遵循胡克定律。但是，由于两者的弹性模量不同，导致应变程度不同。因此，在Mg2Ca处诱导应力集中。在4.5-6.0 MPa下，残余应力逐渐释放，这可能是由于样品再结晶晶粒异常生长所致。换句话说，晶粒粗化可以有效降低表面能，缓解应力集中。

   电化学（图6）和析氢测量表明（图7），在0-3.0 MPa压应力下腐蚀速率显著增加，这是由于第二相颗粒体积分数的增加和基体织构的减弱。然而，在4.5-6.0MPa下，致密的表面腐蚀产物膜迅速形成并作为有效的物理屏障（图8），有效抑制了腐蚀扩散，削弱了微观结构对腐蚀行为的影响。

    浸泡后样品力学性能（图9）表明，在0-3.0 MPa下，随着应力的增加，合金的拉伸性能包括最大抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和延伸率明显增大，并在3 MPa下屈服强度达到峰值（95.48 MPa）。位错堆积产生的应力集中提高了滑移所需的强度，这与在3 MPa下观察到的剪切带结构相对应。此外，Mg₂Ca沉淀作为α-Mg基底中的硬颗粒，可作为位错运动的有效屏障。且随着应力的增加，晶格旋转会降低应力集中水平，最终导致YS降低。因此，沉淀强化和剪切带强化是主要的强化机制，并弥补了织构弱化导致的强度下降。在4.5-6.0 MPa下，弱基底织构更容易发生塑性变形，从而决定了力学响应。断裂类型逐渐由脆性断裂过渡到脆性和延性断裂的混合模式。

    这些发现有助于理解镁植入物在体内的降解过程，可为实际应用和基体性能调控提供理论参考。

  论文“Corrosion behavior and mechanical property of Mg-4Li-1Ca alloys under micro-compressive stress”发表在《J. Mater. Sci. Technol.》(175, 2024: 170-184)。第一作者为硕士研究生王媛媛，刘成宝博和曾荣昌教授为通讯作者，第一单位为山东科技大学。

图1 (a)挤压Mg-4Li-1Ca合金的样品方向和截面示意图; (b)自制静应力加载装置; (c)拉伸样品。

图2 不同微压应力下挤压Mg-4Li-1Ca合金的OM图像：(a) 0 MPa; (b) 1.5 MPa; (c) 3 MPa; (d) 4.5 MPa; (e) 6 MPa; (f) 晶粒尺寸和第二相的体积分数随应力的变化。

图3 不同微压应力下挤压Mg-4Li-1Ca合金的反极图

图4 挤压Mg-4Li-1Ca合金的（0001）基面织构演变

图5 不同微压应力下挤压Mg-4Li-1Ca合金的衍射质量图(Diffraction mass diagram)

图6 不同微压应力下挤压Mg-4Li-1Ca合金在Hanks’溶液中的腐蚀行为: (a) OCP曲线; (b, c) PDP 曲线; (d)能奎斯特图; (e)阻抗模量与频率，相位角与频率的关系图; (f)相应的等效电路。

图7 析氢速率图（a）pH值（b）随时间的变化

图8 浸泡在Hank's溶液30天后的腐蚀形貌扫描图

图9 应力-应变曲线（a）和相应的力学性能指标（b） 

参考文献

1. 一种镁合金静压应力腐蚀电化学行为模拟实验装置及其实验方法，ZL201710040935.6