Микроструктура — это очень мелкомасштабная структура материала, определяемая как структура подготовленной поверхности материала, выявляемая оптическим микроскопом 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.
Микроструктура в масштабах, меньших, чем можно увидеть с помощью оптических микроскопов , часто называется наноструктурой , в то время как структура, в которой расположены отдельные атомы, известна как кристаллическая структура . 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 различные формы, но основными из них являются поры. Даже если эти поры играют очень важную роль в определении характеристик материала, то же самое делает и его состав. Фактически, для многих материалов разные фазы могут существовать одновременно. Эти фазы имеют разные свойства и при правильном управлении могут предотвратить разрушение материала.
Концепция микроструктуры наблюдается в макроструктурных особенностях обычных объектов. Оцинкованная сталь, такая как корпус фонарного столба или дорожный разделитель, демонстрирует неоднородно окрашенную мозаику из взаимосвязанных многоугольников разных оттенков серого или серебристого. 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 3d-структур или кристаллических решеток (кубическую, тетраэдрическую, гексагональную, моноклинную, триклинную, ромбоэдрическую и орторомбическую). Направление выравнивания матриц различается между соседними кристаллами, что приводит к вариации в отражательной способности каждой представленной грани взаимосвязанных зерен на оцинкованной поверхности. Средний размер зерна можно контролировать с помощью условий обработки и состава, и большинство сплавов состоят из гораздо более мелких зерен, невидимых невооруженным глазом. Это делается для повышения прочности материала (см. Усиление Холла-Петча ).
Для количественной оценки микроструктурных характеристик 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 кристаллическая ориентация. Для получения микрографий обычно используется как оптическая, так и электронная микроскопия. Для определения свойств материала наноиндентирование является надежным методом определения свойств на микронном и субмикронном уровне, для которых обычные испытания невозможны. Обычные механические испытания, такие как испытания на растяжение или динамический механический анализ (ДМА), могут возвращать только макроскопические свойства без каких-либо указаний на микроструктурные свойства. Однако наноиндентирование может использоваться для определения локальных микроструктурных свойств как однородных, так и неоднородных 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. Микроструктуры, смоделированные на компьютере, генерируются для копирования микроструктурных особенностей реальных микроструктур. Такие микроструктуры называются синтетическими микроструктурами. Синтетические микроструктуры используются для исследования того, какая микроструктурная особенность важна для данного свойства. Чтобы обеспечить статистическую эквивалентность между сгенерированными и реальными микроструктурами, микроструктуры модифицируются после генерации, чтобы соответствовать статистике реальной микроструктуры. Такая процедура позволяет генерировать теоретически бесконечное количество микроструктур, смоделированных на компьютере, которые статистически одинаковы (имеют одинаковую статистику), но стохастически различны (имеют разные конфигурации). [3] [8]
Пора в микроструктуре, если она не желательна, является недостатком для свойств. Фактически, почти во всех материалах пора будет отправной точкой для разрыва материала. Это точка инициирования трещин. Кроме того, от поры обычно довольно трудно избавиться. Эти методы, описанные ниже, включают высокотемпературный процесс. Однако даже эти процессы иногда могут сделать пору еще больше. Поры с большим координационным числом (окруженные множеством частиц) имеют тенденцию расти во время термического процесса. Это вызвано тем, что тепловая энергия преобразуется в движущую силу для роста частиц, которая будет вызывать рост поры, поскольку высокое координационное число запрещает рост в сторону поры. Для многих материалов из их фазовой диаграммы можно увидеть, что несколько фаз могут существовать одновременно. Эти разные фазы могут иметь различную кристаллическую структуру, таким образом демонстрируя различные механические свойства. [9] Кроме того, эти разные фазы также имеют различную микроструктуру (размер зерна, ориентация). [10] Это также может улучшить некоторые механические свойства, поскольку может произойти деформация трещины, тем самым продвигая окончательное разрушение дальше, поскольку это создает более извилистый путь трещины в более грубой микроструктуре. [11]
В некоторых случаях простое изменение способа обработки материала может повлиять на микроструктуру. Примером является титановый сплав TiAl6V4. [12] Его микроструктура и механические свойства улучшаются с помощью SLM (селективное лазерное плавление), которое представляет собой технологию 3D-печати с использованием порошка и сплавления частиц вместе с помощью мощного лазера. [13] Другие традиционные методы улучшения микроструктуры - это термические процессы. [14] Эти процессы основаны на принципе, что повышение температуры вызовет уменьшение или уничтожение пор. [15] Горячее изостатическое прессование (HIP) - 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 во время этого процесса, в основном является аргоном. Газ должен быть химически инертным, чтобы между ним и образцом не происходило никакой реакции. Давление достигается простым применением тепла к герметично закрытому сосуду. Однако некоторые системы также связывают откачку газа с процессом для достижения требуемого уровня давления. Давление, прикладываемое к материалам, одинаково и исходит со всех сторон (отсюда термин «изостатическое»). [17] Когда отливки обрабатываются методом HIP, одновременное применение тепла и давления устраняет внутренние пустоты и микропористость посредством комбинации пластической деформации, ползучести и диффузионной связи; этот процесс повышает усталостную прочность компонента. [18]
Медиа, связанные с микроструктурой на Wikimedia Commons