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微观结构（英语：microstructures），是材料的非常小规模结构，定义为通过25倍以上的光学显微镜显示的材料准备表面的结构。材料（例如金属，聚合物，陶瓷或复合材料）的微观结构会严重影响物理性能，例如强度，韧性，延展性，硬度，耐腐蚀性，高/低温行为或耐磨性。这些特性又决定了这些材料在工业实践中的应用。
奈米结构
微观结构通常将小于光学显微镜观察到的尺度的微观结构称为奈米结构，而将各个原子排列的结构称为晶体结构。生物标本的奈米结构称为超微结构。微观结构对材料的机械和物理性能的影响主要取决于结构中存在或不存在的不同缺陷。
这些缺陷可以采取多种形式，但主要缺陷是孔。即使这些孔在材料特性的定义中起著非常重要的作用，其成分也是如此。实际上，对于许多材料，不同的相可以同时存在。这些相具有不同的性质，如果管理正确，可以防止材料破裂。
方法
在普通物体的宏观结构特征中可以观察到微观结构的概念。镀锌钢（例如灯柱或道路分隔线的外壳）呈现出不均匀著色的拼凑而成的拼凑而成的形状，这些拼合形式具有不同的灰色或银色阴影。每个多边形是附著在下面的钢表面的锌单晶。锌和铅是两种常见的金属，会形成肉眼可见的大晶体（晶粒）。
组织
每个晶粒中的原子被组织成七个3d堆叠排列或晶格之一（立方，四面体，六边形，单斜面，三斜面，菱面体和斜方晶）。相邻晶体之间矩阵的排列方向不同，从而导致镀锌表面上互锁晶粒的每个呈现面的反射率发生变化。平均晶粒尺寸可以通过加工条件和组成来控制，大多数合金由肉眼看不到的小得多的晶粒组成。这是为了增加材料的强度。为了量化微结构特征，必须表征形态和材料特性。
形态特征
图像处理是一种确定形态特征（例如体积分数，[1]夹杂物形态的强大技术，空隙和晶体取向。为了获取显微照片，通常使用光学显微镜和电子显微镜。为了确定材料的性能，纳米压痕技术是一种确定微米和亚微米级性能的可靠技术，而常规测试是不可行的。常规的机械测试（例如拉伸测试或动态机械分析（DMA））只能返回宏观特性，而没有任何微观结构特性的迹象。但是，奈米压痕可用于确定均质材料和非均质材料的局部微观结构特性。[2]还可以使用高阶统计模型来表征微结构，通过该模型可以从图像中提取出一组复杂的统计属性。然后，这些属性可用于产生各种其他随机模型。[3][4]
生成
生成计算机模拟的微结构以复制实际微结构的微结构特征。这种微结构被称为合成微结构。合成的微结构用于研究对于给定性能重要的微结构特征。为了确保生成的微观结构与实际微观结构之间的统计等效性，在生成后修改微观结构以匹配实际微观结构的统计信息。这种过程使得能够生成理论上无限数量的计算机模拟的微结构，这些计算机在统计上是相同的（具有相同的统计量），但在随机性上是不同的（具有不同的配置）。[5]
毛孔和成分的影响
除非希望，否则微结构中的孔对于性能是不利的。实际上，在几乎所有材料中，孔都是材料破裂的起点。这是裂纹的起点。此外，通常很难消除毛孔。稍后描述的那些技术涉及高温过程。但是，即使那些过程有时也会使孔变得更大。在热处理过程中，配位数大（被许多颗粒包围）的毛孔易于生长。
生长的驱动力
这是由于热能被转换成用于颗粒生长的驱动力，当高配位数阻止向孔的生长时，该驱动力将引起孔的生长。对于许多材料，从其相图可以看出，可以同时存在多个相。那些不同的相可能表现出不同的晶体结构，因此表现出不同的机械性能。[6]此外，这些不同的相还表现出不同的微观结构（晶粒尺寸，取向）。[7]这还可以改善某些机械性能，因为可能发生裂纹变形，从而进一步推动最终击穿，因为它在较粗糙的微观结构中产生了更弯曲的裂纹路径。[8]
改善技巧
热等静压（HIP）
在某些情况下，仅更改材料的处理方式可能会影响微观结构。一个例子是钛合金TiAl6V4。[9]使用SLM（选择性激光熔化）可增强其微观结构和机械性能，这是一种3D打印技术，使用粉末并将高功率激光熔化在一起。 [10]用于改善微观结构的其他常规技术是热处理。 [11]这些过程的依据是温度升高将导致孔的减少或消失。[12]热等静压（HIP）是一种制造过程，用于降低金属的孔隙率并增加许多陶瓷的密度材料。这改善了材料的机械性能和可加工性。 [13] HIP工艺将所需材料暴露于等静压以及密封容器中的高温（高压）中。在此过程中使用的气体主要是氩气。气体需要是化学惰性的，这样气体和样品之间就不会发生反应。
加热压力测试
压力是通过简单地对密闭容器施加热量来实现的。但是，某些系统还将气体泵与过程关联，以达到所需的压力水平。施加在材料上的压力是相等的，并且来自各个方向（因此称为“等静压”）。[14]当用HIP处理铸件时，同时施加热量和压力会通过塑性变形，蠕变和扩散结合而消除内部空隙和微孔。该过程提高了部件的抗疲劳性。[15]
视频
参考资料
- ↑ 基于局部纤维体积分数变化的微观结构随机建模的不相关体积元科学研究入门网
- ↑ 从复合预浸料中提取的环氧模量变化的长度尺度相关性科学研究入门网
- ↑ 复杂材料中微结构的精确建模和评估物理Review电子
- ↑ 页岩样品的纳米尺度和多分辨率模型/燃料科学指引
- ↑ 复合材料微结构的表征/合成/统计/等效性科学研究入门网
- ↑ Oberwinkler，B.，通过考虑晶粒尺寸和应力比来模拟Ti-6Al-4V的疲劳裂纹扩展行为。材料科学与工程：A 2011，528（18），5983-5992
- ↑ Sieniawski，J .；齐亚哈，W .；Kubiak，K .; M. Motyka，高强度两相钛合金的组织和力学性能。钛合金-《性能控制》 2013年第69-80页
- ↑ Nalla，R .; B•博伊斯；坎贝尔，J .；彼得斯，J。Ritchie，R.，微观结构对Ti-6Al-4V高循环疲劳的影响：双峰与层状结构。冶金与材料学报A 2002，33（13），899-918
- ↑ Henriques，VAR；坎波斯，PP d。CAA开罗; Bressiani，JC，通过粉末冶金生产用于先进航空系统的钛合金。材料研究2005，8（4），443-446
- ↑ Kruth，J.-P .; Mercelis，P .；Van Vaerenbergh，J .；Froyen，L .; M. Rombouts，选择性激光烧结和选择性激光熔化中的结合机理。快速原型杂志2005，11（1），26-36
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- ↑ Kasperovich，G .；Hausmann，J.，通过选择性激光熔化处理提高的TiAl6V4的抗疲劳性和延展性。材料加工技术学报2015，220，202-214
- ↑ 林，CY；维尔茨，T。F.LaMarca；Hollister，SJ，通过选择性激光熔化工艺制造的拓扑优化的钛椎间融合器的结构和力学评估。生物医学材料研究杂志A部分2007，83（2），272-279
- ↑ Leuders，S .；M.Thöne；里默（Riemer）；Niendorf，T。Tröster，T。理查德•H；Maier，H.，关于通过选择性激光熔化制造的钛合金TiAl6V4的机械性能：抗疲劳性和裂纹扩展性能。国际疲劳杂志2013，48，300-307。
- ↑ Larker，HT；拉克（Rarker），热等静压。材料科学与技术