Металлы, 2024, № 4

Р Е Д А К Ц И О Н Н А Я   К О Л Л Е Г И Я
Главный редактор акад. РАН К.В. ГРИГОРОВИЧ, ИМЕТ РАН (металлургия, металловедение),
акад. РАН О.А. БАННЫХ, ИМЕТ РАН (председатель редакционного совета, металловедение, термическая обработка сплавов),
докт.техн.наук М.В. КОСТИНА, ИМЕТ РАН (зам. гл. редактора, металловедение, термическая обработка сплавов),
докт.техн.наук В.С. ЮСУПОВ, ИМЕТ РАН (зам. гл. редактора, пластическая деформация металлических материалов),
канд.техн.наук О.А. КОМОЛОВА, ИМЕТ РАН (отв. секретарь, металлургия, математическое моделирование),
член-корр. РАН М.И. АЛЫМОВ, ИСМАН РАН (порошковая металлургия, наноматериалы),
докт.техн.наук, проф. С.Я. БЕЦОФЕН, МАИ (металловедение, физика металлов),
докт.техн.наук В.М. БЛИНОВ, ИМЕТ РАН (металловедение, термическая обработка черных металлов),
докт.техн.наук Е.В. БОГАТЫРЕВА, НИТУ МИСиС (цветная металлургия, гидрометаллургия),
докт.физ.-мат.наук, проф. Г.Г. БОНДАРЕНКО, НИУ ВШЭ (физика металлов, материалы для атомной энергетики),
докт.техн.наук, проф. С.В. ДОБАТКИН, ИМЕТ РАН (металловедение, термическая обработка цветных металлов),
докт.техн.наук А.В. ДУБ, АО «Наука и инновации» (материаловедение, обработка металлов давлением),
докт.техн.наук, проф. Е.Е. ЗОРИН, МПУ (методы неразрушающего контроля),
докт.техн.наук, проф. А.А. КАЗАКОВ, СПбПУ им. Петра Великого (металловедение, термическая обработка сплавов),
член-корр. РАН М.И. КАРПОВ, ИФТТ (физика металлов, пластическая деформация),
член-корр. РАН А.Г. КОЛМАКОВ, ИМЕТ РАН (материаловедение, физика металлов),
акад. РАН Л.И. ЛЕОНТЬЕВ, ИМЕТ РАН (металлургия),
докт.физ.-мат.наук, проф. А.Е. ЛИГАЧЕВ, ИОФ РАН им. А.Н. Прохорова (металловедение, термическая обработка сплавов),
докт.хим.наук А.Г. ПАДАЛКО, ИМЕТ РАН (физикохимия баротермической обработки материалов),
докт.техн.наук К.Б. ПОВАРОВА, ИМЕТ РАН (сплавы тугоплавких металлов, интерметаллические соединения),
акад. РАН А.И. РУДСКОЙ, СПбПУ (аддитивные технологии, обработка металлов давлением),
докт.техн.наук, проф. С.В. СКВОРЦОВА, МАИ (металловедение, термическая обработка сплавов),
докт.техн.наук, проф. Е.И. ХЛУСОВА, ГНЦ ФГУП ЦНИИ «Прометей» (металловедение, термическая обработка сплавов),
докт.техн.наук, проф. В.Ф. ШАМРАЙ, ИМЕТ РАН (кристаллохимия),
докт.техн.наук А.Е. ШЕЛЕСТ, ИМЕТ РАН (обработка металлов давлением)
Зав. редакцией  Л.А.Левченкова
Почтовый адрес редакции журнала „Металлы“:
119334, Москва, Ленинский проспект, 49
Тел. 8 (499) 135-96-78
E-mail: eliz@imet.ac.ru   www.imet.ac.ru/metally

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ (ФГБУН)
ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ им. А.А. БАЙКОВА РАН
М Е Т А Л Л Ы
Журнал основан
в январе 1959 года.
Выходит 6 раз в год
Москва • „ЭЛИЗ“
№4
ИЮЛЬ—АВГУСТ • 2024
С О Д Е Р Ж А Н И Е
Ботвина Л.Р., Тютин М.Р., Демина Ю.А., Белецкий 
Е.Н., Куницын Г.А. , Нижельский Д.В. Влияние режимов обработки и ориентации образцов 
на механические характеристики и механизмы 
разрушения стали 10ХСНД  при ударном  и статическом  изгибе.
.............................................51
Попова Н.А., Громов В.Е., Порфирьев М.А., Серебрякова А.А. Электронно-микроскопический 
анализ структурно-фазовых состояний и дислокационной субструктуры тяжелонагруженных 
заэвтектоидных рельсов.
...................................68
Сказочкин А.В., Бондаренко Г.Г., Перов В.Б. Исследование трибологических параметров рельсовой 
стали 76, модифицированной ультрадисперсными частицами минералов.
.................................75
Галкин В.И., Преображенский Е.В., Палтиевич 
А.Р., Маркелов Е.Е., Галкин Е.В. Разработка 
программного обеспечения для проектирования 
формы поковок осесимметричных деталей из 
сталей.
............................................................85
Анучкин С.Н., Александров А.А., Филиппов К.С. 
Структурные свойства сложнолегированных 
расплавов никеля,
 содержащих олово и нанофазы оксида циркония.....................................94
Мартыненко Н.С., Темралиева Д.Р., Рыбальченко 
О.В., Лукьянова Е.А., Анисимова Н.Ю. , Шинкарева М.В., Юсупов В.С., Киселевский М.В., 
Добаткин С.В. Влияние ротационной ковки на 
структуру, механические и функциональные 
свойства чистого цинка и сплава Zn-1%Mg0,1%Dy.
........................................................... 3
Винтайкин Б.Е., Копылова Т.И., Смирнов А.Е., 
Смирнова Н.А., Черенков Я.В. Фазовое состояние поверхностных слоев стали ВКС-10 после 
лазерной обработки и последующего азотирования................................................................13
Костина М.В., Кудряшов А.Э., Спицина И.В., Федорцов Р.С., Костина В.С. Исследование влияния длительности нагрева под закалку и скорости охлаждения на структуру и твердость 
сталей Fe-13%Cr, легированных азотом .
............22
Волченко Е.И., Баринова Т.В., Нигматуллина Г.Р., 
Алымов М.И. Азотирование порошка железа в 
режиме СВС....................................................35
Устюхин А.С., Зеленский В.А., Миляев И.М., Серебряный В.Н., Бецофен С.Я., Ашмарин А.А., 
Колянова А.С., Шустов В.С. Влияние величины 
обжатия при холодной прокатке на фазовый состав и свойства изотропного порошкового сплава 
Fe-30Cr-20Co-2V..............................................41
©	 Российская академия наук,	
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки (ФГБУН)	
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. 2024 г.
©	 ООО НПП „ЭЛИЗ“. 2024 г.

М Е Т А Л Л Ы ,  №4 • 2 0 2 4
с. 3—12
DOI: 10.31857/S0869573324040312
УДК 669.55:621.785.3:621.785.784
ВЛИЯНИЕ РОТАЦИОННОЙ КОВКИ НА СТРУКТУРУ,
МЕХАНИЧЕСКИЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
ЧИСТОГО ЦИНКА И СПЛАВА Zn-1%Mg-0,1%Dy
1
©2024 г.      Н.С. Мартыненко1*, Д.Р. Темралиева1*, О.В. Рыбальченко1*,
Е.А. Лукьянова1*, Н.Ю. Анисимова1*,2*,3*, М.В. Шинкарева1*,3*,
В.С. Юсупов1*, М.В. Киселевский1*,3*, С.В. Добаткин1*
1*ФГБУН Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва
E-mail: nmartynenko@imet.ac.ru
2*Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Блохина
Минздрава России, Москва
3*Университет науки и технологий МИСИС, Москва
Поступила в редакцию 29 февраля 2024 г.
После доработки 25 апреля 2024 г. принята к публикации 25 апреля 2024 г.
Проведено исследование микроструктуры, механических свойств, коррозионной стойкости и
биосовместимости in vitro чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy (мас.%) до и после ротационной ковки (РК). После РК при 200 C в чистом цинке формируется частично рекристаллизованная структура с размером зерна ~20 мкм, а в сплаве Zn-1%Mg-0,1%Dy в структуре образуются зерна -Zn, вытянутые вдоль направления ковки, а также глобулярные частицы фаз Mg2Zn11 и
MgZn2. Формирование частично рекристаллизованной микроструктуры обеспечило повышение
прочности в чистого цинка с 447 до 961 МПа и одновременно пластичности  с 6,21,3 до
20,22,8%. Для сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy после РК также отмечено увеличение предела прочности (с 13218 до 22316 МПа) и относительного удлинения (с 0,80,5 до 5,81,1%). При этом РК
не приводит к изменению потенциала коррозии исследуемых материалов, но ускоряет коррозию
чистого цинка и замедляет коррозию сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy. Биосовместимость сплава Zn1%Mg-0,1%Dy после РК не ухудшалась, а биосовместимость чистого цинка после обработки стала лучше, что снижает риск его цитопатогенного воздействия при длительном контакте образцов
с кровью. В целом комбинация легирования чистого цинка магнием и диспрозием с ротационной ковкой позволяет существенно повысить его прочность и коррозионную стойкость без ухудшения биосовместимости.
Ключевые слова: биорезорбируемые материалы; ротационная ковка; микроструктура;
прочность; пластичность; коррозионная стойкость, биосовместимость in vitro.
структуры. Как показано в работе [4], скорость деградации может варьироваться от
0,02—0,19 мм/год для чистого цинка до
1,628 мм/год для сплава2 Zn-1%Cu-0,1%Ti.
Такой диапазон скоростей деградации существенно расширяет возможности использования цинковых сплавов в медицине. Однако,
несмотря на многообещающую скорость деградации, весомым недостатком цинка как
материала для остеосинтеза являются его
низкие механические характеристики, которые не соответствуют качеству изделий такого типа. Так, по данным [5] предел прочВ последние годы цинковые сплавы рассматриваются как перспективные материалы для создания биорезорбируемых имплантатов из-за их хорошей биосовместимости и
приемлемой скорости деградации [1—3]. По
скорости деградации цинк занимает место
между быстро деградируемым магнием и
медленно деградируемым железом, которые
также рассматриваются как многообещающие биорезорбируемые металлы. При этом
скоростью деградации цинка можно легко
управлять, в первую очередь путем его легирования, а также модификацией микро1Работа выполнена при финансовой поддержке
Российского научного фонда (Грант № 22-13-00024).
2Содержание элементов в сплавах здесь и далее в
статье в мас.%
3

ности чистого цинка в литом состоянии составляет всего 33,6 МПa при относительном
удлинении 1,2%. Легирование частично решает данную проблему, однако уровень прочности все еще остается критически низким
[4]. К тому же литые медицинские сплавы
на основе цинка обычно практически не имеют запаса пластичности из-за формирования
хрупких фаз. Поэтому существует необходимость в улучшении механических характеристик чистого цинка и его сплавов путем
деформации.
Ротационная ковка (РК) — перспективный 
способ 
улучшения 
механических
свойств медицинских сплавов [6—8]. Она
используется для упрочнения магниевых и
титановых сплавов, однако данных о ее влиянии на цинковые сплавы крайне мало [9,
10]. В то же время проведенные исследования показали, что РК позволяет существенно повысить как прочность, так и пластичность медицинских цинковых сплавов. Для
сплава Zn-0,45%Li после РК со степенью
деформации 75,7% достигнут предел прочности 426,14,7 МПа при относительном
удлинении 139,218,6% [10]. Такие значения прочности и пластичности после РК —
результат сочетания дислокационного упрочнения, измельчения зерна, формирования особой конфигурации зерен -Zn и фазовой составляющей сплава. Благодаря измельчению
зерна и благоприятному расположению
включений фазы увеличены прочность и пластичность также сплавов Zn-1%Mg и Zn1%Mg-0,1%Ca в 1,6 и в 35—50 раз соответственно [9].
В настоящей работе исследовано совместное влияние добавки магния и диспрозия
(1 и 0,1% соответственно), а также РК на
структуру и свойства чистого цинка. Легирование магнием использовалось для повышения прочности чистого сплава за счет формирования упрочняющих богатых магнием
фаз. Добавка диспрозия дополнительно упрочняет чистый цинк из-за формирования
интерметаллида Dy2Zn17, а также влияет на
биологические свойства чистого цинка. Ранее было показано, что ионы Dy3+ ингибируют пролиферацию опухолевых клеток разного генеза [11, 12]. Данный эффект позволит сделать сплав Zn-Mg-Dy перспективным
материалом для онкологической ортопедии.
При этом ожидается, что деформация методом РК и добавки магния и диспрозия повысят прочностные характеристики благодаря формированию фаз Mg2Zn11, MgZn2,
Dy2Zn17 и модификации микроструктуры
чистого цинка [13].
Материал и методики исследования. Для
проведения исследования выбраны чистый
цинк (чистота 99,997% Zn) и сплав Zn1%Mg-0,1%Dy (фактический состав: Zn-0,99
%Mg-0,11%Dy). В качестве сырья использовали цинк ЦВ00 (чистота 99,997% Zn),
магний МГ95 (чистота 99,95% Mg) и диспрозий ДиМ-1 (чистота 99,9% Dy). Выплавку проводили в индукционной печи РЭЛТЕК
(Екатеринбург, Россия). Процесс выплавки
осуществлялся без использования защитной
среды и флюса. Далее расплав разливали в
стальную форму диаметром 35 и высотой
150 мм и охлаждали на воздухе. Количественный анализ выполняли на серийном
рентгенофлуоресцентном волноводисперсионном спектрометре BRUKER S8 Tiger (серия 2; Bruker, Германия). Обработку чистого цинка проводили в литом состоянии, тогда как сплав Zn-1%Mg-0,1%Dy предварительно отжигали при 340 C в течение 20 ч с
последующей закалкой в воде.
Процесс РК осуществляли на ротационноковочной машине РКМ 2129.02 с частотой и
ходом бойка соответственно 1920 мин–1 и
3 мм. Для этого из исходных слитков вырезали заготовки диаметром 19 мм и длиной
15 см. Деформацию проводили по ступенчатому режиму с понижением температуры с
300 до 200 C. Перед первым проходом РК
прутки нагревали при температуре 300 C в
течение 45 мин, а перед дальнейшими проходами РК длительность нагрева прутков составляла 15 мин перед каждой заменой бойков. При этом деформацию при температуре 300 C проводили до логарифмической степени деформации   0,92 (промежуточный
диаметр 12 мм), а затем температуру постепенно понижали до 200 C. Суммарная логарифмическая степень деформации составила 2,31, что соответствовало конечному диаметру, равному 6 мм. Все дальнейшие исследования проводились на материалах в исходном состоянии и после РК при   2,31.
Микроструктуру чистого цинка и сплава
Zn-1%Mg-0,1%Dy до и после РК исследовали методом оптической микроскопии (микроскоп ADF I350 (ADF OPTICS CO. LTD, Ханчжоу, Китай). Структуру деформированных
образцов изучали в направлении, параллель4
„Металлы“. № 4. 2024 г.

ном направлению РК. Размер структурных
элементов рассчитывали с использованием
программного обеспечения Image Expert
Professional 3 (Nexsys, Москва).
Механические характеристики определяли в испытаниях на одноосное растяжение
плоских образцов при комнатной температуре на электромеханической разрывной
машине Instron 3382 (Instron, Великобритания). Рабочая длина образца 5,75 мм, поперечное сечение 12 мм. Из деформированных прутков образцы вырезали в продольном направлении. Для материалов в каждом из исследуемых состояний проводили
по три измерения механический свойств, после чего рассчитывали среднее значение и
среднеквадратичное отклонение.
Коррозионную стойкость определяли по
построенным потенциодинамическим кривым. Исследование проводили при комнатной температуре в растворе 0,9% NaCl на
потенциостате SP-300 (Bio-Logic SAS) с использованием плоской ячейки PAR (Ametek
Instruments, Oak Ridge, TN, USA). Ячейка с
трехэлектродной конфигурацией состоит из
рабочего электрода (образец), электрода сравнения Ag/AgCl и противоэлектрода в виде
платиновой сетки. Сканирование проводили со скоростью 1 мВ/с в диапазоне от ОСР
–150 мВ (нижняя граница) до ОСР + 550 мВ
(верхняя граница), где ОСР — потенциал разомкнутой цепи. Время определения ОСР
составляло 10 мин. Параметры коррозии рассчитывали с использованием программы ECLab (BioLogic, Франция) в соответствии со
стандартом ASTM G59–97. При расчете параметров коррозии определяли потенциал
коррозии Ecor, мВ, плотность тока коррозии
jcor, мкА/см2, а также скорость коррозии CR,
мм/год. Для определения среднего значения
параметров проводилось сканирование не
менее шести образцов для одного состояния
каждого материала. Для расчета скорости
коррозии, мм/год, использовали формулу [14]:
CR  3,2710–3jcorEW/S,
где EW — эквивалентная масса, г-экв;  —
плотность сплавов, г/см3; S — площадь, см2.
Исследования биосовместимости сплава
проводили в условиях in vitro. Использовали
образцы квадратной формы размером 55 мм
и толщиной ~2 мм. Перед началом исследований образцы погружали на 1 ч в 70%-ный
этанол, после чего сушили в стерильной атмосфере. Подготовленные таким образом
образцы далее инкубировали в 1 мл суспензий эритроцитов и лейкоцитов, отделяемых
от крови здорового донора в течение 1 сут
при 37 C в среде с 5% углекислого газа. В
контроле клетки инкубировали без образцов
в таких же условиях. Количество эритроцитов и живых лейкоцитов подсчитывали через 2 ч инкубации с использованием клеточного анализатора ADAM II (NanoEntek, Юж.
Корея). Гемолиз учитывали через 2, 4 и 24 ч
инкубации по изложенной ранее методике
[15] путем измерения адсорбции при длине
волны 540 нм с использованием планшетного ридера Spark (Tecan, Швейцария). Цитотоксичность оценивали путем исследования
релиза лактатдегидрогеназы во внеклеточную
среду согласно методике [15]. Для этого использовали набор реактивов CytoTox 96® NonRadioactive Cytotoxicity Assay (Promega, USA).
Измерение проводили путем оценки адсорбции при длине волны 490 против 620 нм
планшетного ридера Spark (Tecan, Швейцария) в соответствии с инструкцией производителя. В каждом тесте использовали не
менее трех образцов одного типа. Все измерения выполняли в триплетах. Полученные
результаты представляли как среднее значение  среднеквадратичное отклонение. Для
сравнительного анализа полученных результатов с контролем использовали t-критерий.
Различия считали достоверными при вероятности р<0,05.
Результаты исследования. Как видно на
приведенных на фиг. 1 микроструктурах
чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy в
исходном (литом) состоянии и после РК,
структура литого цинка состоит из дендритов произвольных формы и размера. Встречаются дендриты размером как 15—20, так
и 80—100 мкм (фиг.1, а). В процессе РК чистого цинка развитие получают рекристаллизационные процессы с формированием
зерен размером ~20 мкм. Кроме того, в структуре присутствуют мелкие зерна размером
~5 мкм, расположенные на границах и в тройных стыках больших зерен (фиг.1, б), встречаются отдельные двойники деформации
шириной 3—5 мкм (фиг.1, в).
В сплаве Zn-1%Mg-0,1%Dy изменения
структуры в процессе РК происходят несколько иначе. В исходном состоянии его
структура состоит из дендритов -Zn разме5
„Металлы“. № 4. 2024 г.

мкм
20 мкм
20 мкм
а)
б)
в)
Dy2Zn17
Zn+Mg
20 мкм
10 мкм
г)
д)
е)
20 мкм
Фиг. 1. Микроструктура чистого цинка в литом состоянии (а) и после РК до 6 мм (б, в), а также сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy после отжига (г, д) и РК до 6 мм (е)
ется в 3 раза (с 6,21,3 до 20,22,8%). В случае сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy также наблюдается рост 0,2 (в 1,5 раза, от 12418 до
17521 МПа), предела прочности в (в 1,7
раза, от 13218 до 22316 МПа) и относительного удлинения  (от 0,80,5 до 5,81,1%).
На фиг. 3 и в табл. 2 представлены результаты исследования коррозионной стойкости чистого цинка и сплава Zn-1%Mg0,1%Dy до и после РК. Выявлено, что чистый цинк и сплав Zn-1%Mg-0,1%Dy после
РК ведут себя по-разному. Стойкость к коррозии чистого цинка после РК не снижается: потенциал коррозии чистого цинка практически не изменяется и составляет соответственно –100514 и –101210 мВ для литого и деформированного состояний. Однако
после РК отмечается существенное увеличение плотности тока коррозии jcor и скорости
коррозии CR чистого цинка. Так плотность
тока коррозии после РК увеличилась с
14,01,9 до 19,42,7 мкА/см2. Это соответствует росту скорости электрохимической
коррозии с 0,280,09 мм/год в литом состоянии до 0,490,16 мм/год после РК.
В случае сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy ситуация прямо противоположная. С одной стороны, как и в случае чистого цинка, практически не изменяется потенциал коррозии
(–100134 и –103814 мВ для сплава до и
после РК соответственно), что говорит о том,
что стойкость сплава к коррозии остается нером 25—30 мкм, окруженных сплошной сеткой нерастворившейся фазы, богатой магнием (фиг. 1, г). В ранее проведенных исследованиях [13] состав данной фазы был определен как смесь двух богатых магнием фаз:
Mg2Zn11 и MgZn2. Также в структуре сплава
после отжига методом оптической микроскопии выявлено наличие частиц фазы Dy2Zn17
размером ~10 мкм (фиг. 1, д) [13]. Процесс
РК приводит к вытягиванию зерна вдоль направления деформации. При этом формируется полосчатая структура, состоящая из зерен шириной ~10 и длиной 100—150 мкм.
Кроме того, происходит измельчение богатой
магнием фазы, которая из сплошной сетки
по границам исходных дендритов трансформируется в строчки отдельных глобулярных
частиц размером 3—5 мкм, вытянутых вдоль
направления РК (фиг. 1, е).
На фиг. 2 и в табл. 1 представлены результаты исследования механических свойств
чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy до
и после РК.
В результате РК существенно упрочняются как чистый цинк, так и сплав Zn-1%Mg0,1%Dy, одновременно возрастает их пластичность. Для чистого цинка отмечается увеличение условного предела текучести 0,2
почти в полтора раза (от 418 до 608 МПа)
и предела прочности в более чем в 2 раза
(с 447 до 961 МПа). Относительное удлинение  чистого цинка при этом увеличива6
„Металлы“. № 4. 2024 г.

Фиг. 2. Диаграммы деформации чистого цинка (а) и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy (б) до (1) и после (2) РК
Таблица 1
Характеристики механических свойств чистого цинка
и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy до и после РК
е
и
н
я
о
т
с
о
с
,
л
а
и
р
е
т
а
М

2
,
0
а
П
М
,
в
а
П
М
,
%
,
:
к
н
и
ц
й
ы
т
с
и
Ч
е
о
т
и
л
1
4 8
4
4 7
2
,
6

3
,
1
К
Р
е
л
с
о
п
0
6 8
6
9 1
2
,
0
2

8
,
2
:
y
D
%
1
,
0
-
g
M
%
1
-
n
Z
в
а
л
п
С
а
г
и
ж
т
о
е
л
с
о
п
4
2
1
8
1
2
3
1
8
1
8
,
0

5
,
0
К
Р
е
л
с
о
п
5
7
1
1
2
3
2
2
6
1
8
,
5

1
,
1
Фиг. 3. Вольтамперограммы в тафелевских
координатах чистого цинка и сплава Zn-1%Mg0,1%Dy до и после РК (электрод сравнения —
Ag/AgCl)
изменной. С другой стороны, после РК происходит замедление скорости коррозии сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy. Плотность тока коррозии сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy уменьшилась с 13,73,4 мкА/см2 в отожженном состоянии до 4,52,5 мкА/см2 после РК. При
этом скорость коррозии уменьшилась с
0,260,06 мм/год в отожженном состоянии
до 0,110,05 мм/год после РК.
Учитывая назначение разрабатываемых
материалов для медицинского применения,
необходимо дать характеристику их биосовместимости. Биосовместимость исследовали
в условиях in vitro, путем оценки влияния
чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy до
и после РК на состояние эритроцитов и лейТаблица 2
Коррозионная стойкость* чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy
до и после РК (электрод сравнения — Ag/AgCl)
е
и
н
я
о
т
с
о
с
,
л
а
и
р
е
т
а
М
Е
r
o
c
В
м
,
j
r
o
c
м
с
/
А
к
м
,
2
R
C
д
о
г
/
м
м
,
:
к
н
и
ц
й
ы
т
с
и
Ч
е
о
т
и
л
5
0
0
1
–
4
1
0
,
4
1

9
,
1
8
2
,
0

9
0
,
0
К
Р
е
л
с
о
п
2
1
0
1
–
0
1
4
,
9
1

7
,
2
9
4
,
0

6
1
,
0
:
y
D
%
1
,
0
-
g
M
%
1
-
n
Z
в
а
л
п
С
а
г
и
ж
т
о
е
л
с
о
п
1
0
0
1
–
4
3
7
,
3
1

4
,
3
6
2
,
0

6
0
,
0
К
Р
е
л
с
о
п
8
3
0
1
–
4
1
5
,
4

5
,
2
1
1
,
0

5
0
,
0
*Еcor — потенциал коррозии; jcor — плотность тока коррозии; CR — скорость коррозии.
7
„Металлы“. № 4. 2024 г.

личения релиза лактатдегидрогеназы в сравнении с контролем (см. табл. 3). Однако можно отметить наличие тенденции нарастания
релиза лактатдегидрогеназы после инкубации лейкоцитов с образцами литого цинка в
сравнении с контролем (р>0,05), тогда как
РК нивелирует этот негативный эффект.
Для дополнительной оценки цитолитического воздействия изучаемых образцов исследовалось изменение количества клеток крови после окончания периода коинкубации
методом прямого подсчета (фиг. 4).
коцитов человеческой крови. Потенциальное
негативное воздействие изучаемых материалов на целостность эритроцитов крови оценивали, измеряя уровень гемолиза, обусловленного высвобождением гемоглобина во
внеклеточную среду. Измерения, проведенные через 2, 4 и 24 ч после начала инкубации, показали, что образцы чистого цинка и
сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy как в исходном
состоянии, так и после РК не индуцировали
статистически достоверное повышение уровня гемолиза в сравнении со спонтанным
уровнем в контроле (р>0,05) (табл. 3).
Таблица 3
Параметры биосовместимости чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy
в исходном состоянии (ИС) и после РК
р
т
е
м
а
р
а
П
ь
т
с
о
н
ь
л
е
т
и
л
Д
ч
,
и
и
ц
а
б
у
к
н
и
к
н
и
ц
й
ы
т
с
и
Ч
y
D
%
1
,
0
-
g
M
%
1
-
n
Z
К
ь
л
о
р
т
н
о
С
И
К
Р
С
И
К
Р
%
,
з
и
л
о
м
е
Г
2
0
1
,
0
0
1
,
0
0
1
,
0
0
6
,
0
0
1
,
0
4
1
4
,
0
0
2
,
0
0
1
,
0
0
6
,
0
0
2
,
0
4
2
2
4
,
1
0
6
,
0
0
1
,
0
0
3
,
0
0
6
,
0
%
,
ь
т
с
о
н
ч
и
с
к
о
т
о
т
и
Ц
4
2
6
,
6

5
,
6
5
,
1

3
,
1
3
,
1

3
,
2
0
,
2

6
,
2
0
0
,
2
12
а)
б)
14
10
12
10
8
8
6
6
4
4
2
2
Число клеток в 1 мл (109)
Число клеток в 1 мл (106)
0
0
ИС
РК
Чистый Zn
ИС
РК
Zn-Mg-Dy
Контроль
ИС
РК
Чистый Zn
ИС
РК
Zn-Mg-Dy
Контроль
Фиг. 4. Изменение количества эритроцитов (а) и лейкоцитов (б) крови в процессе инкубации с образцами чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy в исходном состоянии (ИС) и после РК в сравнении с
контролем
Для изучения цитотоксического воздействия опытных образцов чистого цинка и
сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy на ядерные клетки определяли релиз в среду инкубации
внутриклеточного фермента лактатдегидрогеназы, ассоциированного с повреждением
клеточной мембраны и гибелью клеток. В качестве клеточной модели использовали лейкоциты крови. Согласно полученным результатам инкубация со всеми изученными образцами не стимулировала достоверного увеЭти данные подтверждают выводы, полученные при изучении биологических эффектов другими методами. В частности, подтверждено, что образцы сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy
не индуцировали повреждение клеточных
мембран, приводящее к релизу гемоглобина
и лактатдегидрогеназы во внеклеточную среду, поскольку не было отмечено снижения
количества эритроцитов и лейкоцитов в процессе инкубации. Это позволяет заключить,
что РК не ухудшает биосовместимость спла8
„Металлы“. № 4. 2024 г.

лизации после РК не было установлено:
структура состоит из вытянутых вдоль оси
деформации зерен шириной ~10 мкм. При
этом происходит трансформация богатой
магнием фазы от плотной сетки по границам дендритов -Zn до глобулярных частиц,
расположенных вдоль оси РК. Повышение
прочности сплава, по-видимому, связано с
уменьшением размера зерна в процессе деформации. В то же время рост пластичности может быть обусловлен разными факторами, такими как изменение текстуры или
трансформация фазы. Цинк — металл с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой. В ГПУ металлах формирование благоприятной текстуры часто вызывает повышение пластичности. Например, в сплаве Zn0,2%Mg-0,8%Mn формирование благоприятной текстуры после экструзии привело к росту удлинения с 12 до 33% [18], а в сплаве
Zn-2,5%Ag-0,08%Mg высокая пластичность
(56,3%) достигнута благодаря подавлению
деформационного двойникования, активации
пирамидального скольжения <c+a> и низкой плотности дислокаций [19]. При этом в
нашем предыдущем исследовании показано, что РК по схожему режиму сплавов Zn1%Mg и Zn-1%Mg-0,1%Ca не вызывает существенных изменений в их текстуре [9].
Поэтому в данном случае повышение
пластичности может быть обусловлено в
большей мере структурными трансформациями, а именно переориентацией и дроблением фазы. Известно, что эвтектическая фаза
Mg2Zn11 имеет высокие твердость и хрупкость [20]. Формирование хрупкой фазовой
сетки приводит к ухудшению пластичности,
что и наблюдается в отожженном сплаве Zn1%Mg-0,1%Dy. При этом формирование
мелких глобулярных частиц твердой фазы
обычно более благоприятно сказывается на
пластичности. Например, по данным [21]
измельчение частиц фазы Mg2Zn11 в процессе РКУП (равноканальное угловое прессование), препятствуя движению микротрещин,
замедлило разрушение и значительно улучшило пластичность сплавов Zn-1%Cu0,5%Mg и Zn-3%Cu-0,5%Mg. Дробление
эвтектической фазы Mg2Zn11 наряду с совместным воздействием динамической рекристаллизации и формированием наноразмерных частиц MgZn2 явилось также одной из
причин повышения пластичности сплава Zn1,6%Mg после РКУП [22].
ва Zn-1%Mg-0,1%Dy in vitro. При этом после инкубации с образцами чистого цинка в
литом состоянии концентрация эритроцитов
к концу периода инкубации была значимо
меньше, чем после контакта с образцами чистого цинка после РК. Это также коррелирует с результатами исследования гемолиза
и цитотоксичности, где именно цинк в литом состоянии индуцировал их наиболее
высокий уровень.
Обсуждение результатов. Исследование
влияния РК на механические свойства, коррозионную стойкость и биосовместимость
чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy
показало, что РК приводит к одновременному росту прочности и пластичности обоих
изученных материалов (прочностные характеристики возрастают в 1,5—2 раза, а пластичность — в 3—5 раз). В чистом цинке после РК формируется частично рекристаллизованная структура в результате деформации
при температуре 200 C, составляющей примерно половину температуры плавления. В
данном случае следует ожидать протекания
как динамической рекристаллизации во время теплой деформации, так и статической
рекристаллизации в ходе промежуточных подогревов. При этом уменьшение размера зерна после РК приводит к росту прочности чистого цинка. Также не стоит забывать и о
наклепе, который возникает в зернах в результате продолжающейся деформации, который также способствует росту прочности.
Кроме того, процессы возврата и рекристаллизации в ходе деформации при 200 C увеличивают почти в 3 раза пластичность чистого цинка. По данным [16] динамическая
рекристаллизация, протекающая в процессе
сжатия, играет огромную роль в повышении
пластичности чистого цинка. Причем динамическая рекристаллизация в этом случае
протекает уже при комнатной температуре.
М.В. Поленок и др. также установили протекание динамической рекристаллизации
чистого цинка в процессе кручения под высоким давлением при комнатной температуре [17]. В этом случае измельчение зерна
и протекание динамической рекристаллизации позволили повысить как прочность (до
140 МПа), так и пластичность (до 40 %) чистого цинка.
В сплаве Zn-1%Mg-0,1%Dy после РК также наблюдается рост прочности и пластичности. В данном случае наличие рекристал9
„Металлы“. № 4. 2024 г.

разцами чистого цинка после РК. Это может
быть объяснено пассивацией из-за наличия
на поверхности деформированного сплава
равномерной пленки, состоящей из продуктов коррозии. Ранее С. Лю и др. [28] при исследовании этого процесса на сплавах Zn-Mg
показали, что наличие фазы Mg2Zn11 благоприятно сказывается на коррозии из-за ускоренного формирования оксидной пленки.
Исследуемые материалы разрабатываются для создания медицинских изделий разного назначения. Важно, чтобы такие материалы не оказывали токсического эффекта
на клетки крови. В данной работе исследовано влияние образцов чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy до и после РК на эритроциты и лейкоциты крови. Анализируя данные о биологической активности всех исследуемых образцов, можно констатировать, что
инкубация с ними не приводила к достоверно выраженному снижению числа как ядерных, так и безъядерных клеток в сравнении
с контролем. Этот факт в сочетании с приведенными ранее данными об отсутствии достоверно установленного повреждения клеток,
проявляющимся повышением гемолиза и
внеклеточным релизом лактатдегидрогеназы, позволяет охарактеризовать образцы на
основе чистого цинка как биосовместимые.
Отдельно следует отметить, что обработка
образцов чистого цинка РК не только способствовала снижению уровня внеклеточной
лактатдегидрогеназы, но и стабилизировала
концентрацию живых клеток в среде инкубации к концу эксперимента. Это позволяет
сделать вывод об улучшении биосовместимости чистого цинка после РК и расширении
перспектив его применения в медицине, например, для создания систем локального
высвобождения лекарственных средств. Однако уровень прочностных характеристик
как чистого цинка до и после РК, так и отожженного сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy недостаточен для применения в лечении заболеваний опорно-двигательной системы. Таким
образом, только сплав Zn-1%Mg-0,1%Dy после РК можно считать перспективным материалом для изготовления изделий для ортопедии.
Выводы. 1. Ротационная ковка (РК) приводит к формированию частично рекристаллизованной структуры с размером зерна
~20 мкм. В случае сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy
после РК формируется структура, состоящая
В то же время улучшение механических
свойств сопровождается небольшим увеличением скорости коррозии чистого цинка и
замедлением процесса коррозии сплава Zn1%Mg-0,1%Dy. Для чистого цинка формирование структуры с высокой долей мелких
зерен после РК способствовало увеличению
протяженности границ зерен и росту плотности дислокаций по сравнению с литым
состоянием, что, как известно, может приводить к ускорению процессов коррозии. Например, скорость коррозии чистого магния
после РКУП увеличивается из-за роста плотности дислокаций и дефектов кристаллической решетки [23]. Схожая картина наблюдалась и в чистом цинке, в котором после
KOBO-экструзии выросла скорость коррозии
[24]. В этом случае дефекты решетки, особенно дислокации, могут действовать как
анодные участки по отношению к металлической матрице и приводить к локализации
коррозии [25, 26].
Однако в сплаве Zn-1%Mg-0,1%Dy, микроструктура в котором после РК также измельчается, роста скорости коррозии не наблюдается. Вероятно, в данном случае большее влияние оказывает наличие частиц второй фазы в структуре сплава. Известно, что
при этом ускоряются коррозионные процессы в результате образования микрогальванических эффектов, возникающих из-за разности потенциалов между матрицей и фазой
[27], но следует учитывать, что при этом огромную роль играет конфигурация частиц
фазы. В литом сплаве Zn-1%Mg-0,1%Dy
фаза располагается в виде сплошной сетки
по границе зерен -Zn. Такое расположение
может приводить к локализации процесса
коррозии и его сильному ускорению на протяжении всей границы матрица/фаза, в то
время как в случае мелких глобулярных частиц процесс коррозии более равномерный.
Так, в работе [24] в сплаве Zn-1,7%Mg-1%Ca
после KOBO-экструзии отмечено снижение
скорости коррозии на 2,5%. В этом случае
формируется структура с однородно распределенными внутри  Zn-матрицы фазами, богатыми магнием и кальцием, что обеспечивает более равномерный процесс коррозии и
соответственно более низкую ее скорость.
Стоит также отметить минимальные значения скорости коррозии образцов сплава Zn1%Mg-0,1%Dy после РК по сравнению с его
образцами в исходно литом состоянии и об10
„Металлы“. № 4. 2024 г.