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微觀結構（英語：microstructures），是材料的非常小規模結構，定義為通過25倍以上的光學顯微鏡顯示的材料準備表面的結構。材料（例如金屬，聚合物，陶瓷或複合材料）的微觀結構會嚴重影響物理性能，例如強度，韌性，延展性，硬度，耐腐蝕性，高/低溫行為或耐磨性。這些特性又決定了這些材料在工業實踐中的應用。
奈米結構
微觀結構通常將小於光學顯微鏡觀察到的尺度的微觀結構稱為奈米結構，而將各個原子排列的結構稱為晶體結構。生物標本的奈米結構稱為超微結構。微觀結構對材料的機械和物理性能的影響主要取決於結構中存在或不存在的不同缺陷。
這些缺陷可以採取多種形式，但主要缺陷是孔。即使這些孔在材料特性的定義中起著非常重要的作用，其成分也是如此。實際上，對於許多材料，不同的相可以同時存在。這些相具有不同的性質，如果管理正確，可以防止材料破裂。
方法
在普通物體的宏觀結構特徵中可以觀察到微觀結構的概念。鍍鋅鋼（例如燈柱或道路分隔線的外殼）呈現出不均勻著色的拼湊而成的拼湊而成的形狀，這些拼合形式具有不同的灰色或銀色陰影。每個多邊形是附著在下面的鋼表面的鋅單晶。鋅和鉛是兩種常見的金屬，會形成肉眼可見的大晶體（晶粒）。
組織
每個晶粒中的原子被組織成七個3d堆疊排列或晶格之一（立方，四面體，六邊形，單斜面，三斜面，菱面體和斜方晶）。相鄰晶體之間矩陣的排列方向不同，從而導致鍍鋅表面上互鎖晶粒的每個呈現面的反射率發生變化。平均晶粒尺寸可以通過加工條件和組成來控制，大多數合金由肉眼看不到的小得多的晶粒組成。這是為了增加材料的強度。為了量化微結構特徵，必須表徵形態和材料特性。
形態特徵
圖像處理是一種確定形態特徵（例如體積分數，[1]夾雜物形態的強大技術，空隙和晶體取向。為了獲取顯微照片，通常使用光學顯微鏡和電子顯微鏡。為了確定材料的性能，納米壓痕技術是一種確定微米和亞微米級性能的可靠技術，而常規測試是不可行的。常規的機械測試（例如拉伸測試或動態機械分析（DMA））只能返回宏觀特性，而沒有任何微觀結構特性的跡象。但是，奈米壓痕可用於確定均質材料和非均質材料的局部微觀結構特性。[2]還可以使用高階統計模型來表徵微結構，通過該模型可以從圖像中提取出一組複雜的統計屬性。然後，這些屬性可用於產生各種其他隨機模型。[3][4]
生成
生成計算機模擬的微結構以複製實際微結構的微結構特徵。這種微結構被稱為合成微結構。合成的微結構用於研究對於給定性能重要的微結構特徵。為了確保生成的微觀結構與實際微觀結構之間的統計等效性，在生成後修改微觀結構以匹配實際微觀結構的統計信息。這種過程使得能夠生成理論上無限數量的計算機模擬的微結構，這些計算機在統計上是相同的（具有相同的統計量），但在隨機性上是不同的（具有不同的配置）。[5]
毛孔和成分的影響
除非希望，否則微結構中的孔對於性能是不利的。實際上，在幾乎所有材料中，孔都是材料破裂的起點。這是裂紋的起點。此外，通常很難消除毛孔。稍後描述的那些技術涉及高溫過程。但是，即使那些過程有時也會使孔變得更大。在熱處理過程中，配位數大（被許多顆粒包圍）的毛孔易於生長。
生長的驅動力
這是由於熱能被轉換成用於顆粒生長的驅動力，當高配位數阻止向孔的生長時，該驅動力將引起孔的生長。對於許多材料，從其相圖可以看出，可以同時存在多個相。那些不同的相可能表現出不同的晶體結構，因此表現出不同的機械性能。[6]此外，這些不同的相還表現出不同的微觀結構（晶粒尺寸，取向）。[7]這還可以改善某些機械性能，因為可能發生裂紋變形，從而進一步推動最終擊穿，因為它在較粗糙的微觀結構中產生了更彎曲的裂紋路徑。[8]
改善技巧
熱等靜壓（HIP）
在某些情況下，僅更改材料的處理方式可能會影響微觀結構。一個例子是鈦合金TiAl6V4。[9]使用SLM（選擇性激光熔化）可增強其微觀結構和機械性能，這是一種3D打印技術，使用粉末並將高功率激光熔化在一起。 [10]用於改善微觀結構的其他常規技術是熱處理。 [11]這些過程的依據是溫度升高將導致孔的減少或消失。[12]熱等靜壓（HIP）是一種製造過程，用於降低金屬的孔隙率並增加許多陶瓷的密度材料。這改善了材料的機械性能和可加工性。 [13] HIP工藝將所需材料暴露於等靜壓以及密封容器中的高溫（高壓）中。在此過程中使用的氣體主要是氬氣。氣體需要是化學惰性的，這樣氣體和样品之間就不會發生反應。
加熱壓力測試
壓力是通過簡單地對密閉容器施加熱量來實現的。但是，某些系統還將氣體泵與過程關聯，以達到所需的壓力水平。施加在材料上的壓力是相等的，並且來自各個方向（因此稱為“等靜壓”）。[14]當用HIP處理鑄件時，同時施加熱量和壓力會通過塑性變形，蠕變和擴散結合而消除內部空隙和微孔。該過程提高了部件的抗疲勞性。[15]
視頻
參考資料
- ↑ 基於局部纖維體積分數變化的微觀結構隨機建模的不相關體積元科學研究入門網
- ↑ 從復合預浸料中提取的環氧模量變化的長度尺度相關性科學研究入門網
- ↑ 複雜材料中微結構的精確建模和評估物理Review電子
- ↑ 頁岩樣品的納米尺度和多分辨率模型/燃料科學指引
- ↑ 複合材料微結構的表徵/合成/統計/等效性科學研究入門網
- ↑ Oberwinkler，B.，通過考慮晶粒尺寸和應力比來模擬Ti-6Al-4V的疲勞裂紋擴展行為。材料科學與工程：A 2011，528（18），5983-5992
- ↑ Sieniawski，J .；齊亞哈，W .；Kubiak，K .; M. Motyka，高強度兩相鈦合金的組織和力學性能。鈦合金-《性能控制》 2013年第69-80頁
- ↑ Nalla，R .; B•博伊斯；坎貝爾，J .；彼得斯，J。Ritchie，R.，微觀結構對Ti-6Al-4V高循環疲勞的影響：雙峰與層狀結構。冶金與材料學報A 2002，33（13），899-918
- ↑ Henriques，VAR；坎波斯，PP d。CAA開羅; Bressiani，JC，通過粉末冶金生產用於先進航空系統的鈦合金。材料研究2005，8（4），443-446
- ↑ Kruth，J.-P .; Mercelis，P .；Van Vaerenbergh，J .；Froyen，L .; M. Rombouts，選擇性激光燒結和選擇性激光熔化中的結合機理。快速原型雜誌2005，11（1），26-36
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- ↑ Kasperovich，G .；Hausmann，J.，通過選擇性激光熔化處理提高的TiAl6V4的抗疲勞性和延展性。材料加工技術學報2015，220，202-214
- ↑ 林，CY；維爾茨，T。F.LaMarca；Hollister，SJ，通過選擇性激光熔化工藝製造的拓撲優化的鈦椎間融合器的結構和力學評估。生物醫學材料研究雜誌A部分2007，83（2），272-279
- ↑ Leuders，S .；M.Thöne；裡默（Riemer）；Niendorf，T。Tröster，T。理查德•H；Maier，H.，關於通過選擇性激光熔化製造的鈦合金TiAl6V4的機械性能：抗疲勞性和裂紋擴展性能。國際疲勞雜誌2013，48，300-307。
- ↑ Larker，HT；拉克（Rarker），熱等靜壓。材料科學與技術