Микроструктура — это очень мелкомасштабная структура материала, определяемая как структура подготовленной поверхности материала, выявленная с помощью оптического микроскопа с увеличением более 25×. [1] Микроструктура материала (например, металлов , полимеров , керамики или композитов ) может сильно влиять на физические свойства, такие как прочность, ударная вязкость, пластичность, твердость, коррозионная стойкость, поведение при высоких/низких температурах или износостойкость. Эти свойства, в свою очередь, определяют применение этих материалов в промышленной практике.
Микроструктуру в масштабах меньших, чем можно увидеть в оптические микроскопы, часто называют наноструктурой , а структуру, в которой расположены отдельные атомы, называют кристаллической структурой . Наноструктура биологических образцов называется ультраструктурой . Влияние микроструктуры на механические и физические свойства материала в первую очередь определяется различными дефектами, присутствующими или отсутствующими в структуре. Эти дефекты могут принимать разные формы, но основными из них являются поры. Даже если эти поры играют очень важную роль в определении характеристик материала, то же самое касается и его состава. Фактически, для многих материалов разные фазы могут существовать одновременно. Эти фазы имеют разные свойства и при правильном обращении могут предотвратить разрушение материала.
Понятие микроструктуры можно наблюдать в макроструктурных особенностях обычных объектов. Оцинкованная сталь, такая как корпус фонарного столба или разделителя дороги, представляет собой неоднородно окрашенное лоскутное одеяло из переплетающихся многоугольников разных оттенков серого или серебра. Каждый многоугольник представляет собой монокристалл цинка , прилипший к поверхности стали под ним. Цинк и свинец — два распространенных металла, которые образуют крупные кристаллы (зерна), видимые невооруженным глазом. Атомы в каждом зерне организованы в одну из семи трехмерных компоновок или кристаллических решеток (кубическую, тетраэдрическую, гексагональную, моноклинную, триклинную, ромбоэдрическую и орторомбическую). Направление выравнивания матриц различается для соседних кристаллов, что приводит к разнице в отражательной способности каждой грани сцепленных зерен на оцинкованной поверхности. Средний размер зерна можно контролировать с помощью условий обработки и состава, а большинство сплавов состоят из гораздо более мелких зерен, невидимых невооруженным глазом. Это необходимо для увеличения прочности материала (см. «Укрепление Холла-Петча »).
Для количественной оценки микроструктурных особенностей необходимо охарактеризовать как морфологические, так и материальные свойства. Обработка изображений является надежным методом определения морфологических характеристик, таких как объемная доля, [2] морфология включений, [3] пустоты и ориентация кристаллов. Для получения микрофотографий обычно используются как оптическая, так и электронная микроскопия. Для определения свойств материала наноиндентирование представляет собой надежный метод определения свойств на микронном и субмикронном уровне, для которых традиционные испытания невозможны. Обычные механические испытания, такие как испытания на растяжение или динамический механический анализ (DMA), могут выявить только макроскопические свойства без каких-либо указаний на микроструктурные свойства. Однако наноиндентирование может быть использовано для определения локальных микроструктурных свойств как гомогенных, так и гетерогенных материалов. [4] Микроструктуры также можно охарактеризовать с помощью статистических моделей высокого порядка, с помощью которых из изображений извлекается набор сложных статистических свойств. Затем эти свойства можно использовать для создания различных других стохастических моделей. [5] [6] [7]
Генерация микроструктуры также известна как стохастическая реконструкция микроструктуры. Компьютерно-моделированные микроструктуры создаются для воспроизведения микроструктурных особенностей реальных микроструктур. Такие микроструктуры называются синтетическими микроструктурами. Синтетические микроструктуры используются для исследования того, какая особенность микроструктуры важна для данного свойства. Чтобы обеспечить статистическую эквивалентность между сгенерированными и реальными микроструктурами, микроструктуры модифицируются после создания, чтобы соответствовать статистике реальной микроструктуры. Такая процедура позволяет генерировать теоретически бесконечное количество смоделированных на компьютере микроструктур, которые статистически одинаковы (имеют одинаковую статистику), но стохастически различаются (имеют разные конфигурации). [3] [8]
Поры в микроструктуре, если они нежелательны, являются недостатком для свойств. Фактически, почти во всех материалах пора является отправной точкой разрыва материала. Это точка зарождения трещин. Кроме того, от пор обычно довольно сложно избавиться. Эти методы, описанные ниже, включают высокотемпературный процесс. Однако даже эти процессы иногда могут привести к еще большему увеличению пор. Поры с большим координационным числом (окруженные множеством частиц) имеют тенденцию к росту во время термического процесса. Это вызвано тем, что тепловая энергия преобразуется в движущую силу роста частиц, что вызывает рост пор, поскольку высокое координационное число препятствует росту в направлении поры. Из фазовой диаграммы многих материалов видно, что одновременно может существовать несколько фаз. Эти разные фазы могут иметь разную кристаллическую структуру и, следовательно, проявлять разные механические свойства. [9] Кроме того, эти разные фазы также имеют различную микроструктуру (размер зерен, ориентацию). [10] Это также может улучшить некоторые механические свойства, поскольку может произойти отклонение трещины, тем самым ускоряя окончательное разрушение, поскольку оно создает более извилистый путь трещины в более крупной микроструктуре. [11]
В некоторых случаях простое изменение способа обработки материала может повлиять на микроструктуру. Примером может служить титановый сплав TiAl6V4. [12] Его микроструктура и механические свойства улучшаются с помощью SLM (селективного лазерного плавления), который представляет собой метод 3D-печати с использованием порошка и плавлением частиц вместе с помощью мощного лазера. [13] Другими традиционными методами улучшения микроструктуры являются термические процессы. [14] Эти процессы основаны на том принципе, что повышение температуры вызывает сокращение или уничтожение пор. [15] Горячее изостатическое прессование (ГИП) — это производственный процесс, используемый для уменьшения пористости металлов и увеличения плотности многих керамических материалов. Это улучшает механические свойства и обрабатываемость материала. [16] Процесс HIP подвергает желаемый материал воздействию изостатического давления газа, а также высокой температуры в герметичном сосуде (высокое давление). Газ, используемый в этом процессе, в основном представляет собой аргон. Газ должен быть химически инертным, чтобы между ним и образцом не происходило реакции. Давление достигается простым применением тепла к герметично закрытому сосуду. Однако некоторые системы также связывают с процессом прокачку газа для достижения необходимого уровня давления. Давление, оказываемое на материалы, одинаково и исходит со всех сторон (отсюда и термин «изостатическое»). [17] Когда отливки обрабатываются ГИП, одновременное применение тепла и давления устраняет внутренние пустоты и микропористость за счет сочетания пластической деформации, ползучести и диффузионной сварки; этот процесс повышает усталостную прочность детали. [18]
СМИ, связанные с микроструктурой, на Викискладе?