Микроструктура — это очень мелкомасштабная структура материала, определяемая как структура подготовленной поверхности материала, выявляемая оптическим микроскопом с увеличением более 25×. 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 наличием или отсутствием различных дефектов 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.
Методы
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).
Характеристики микроструктуры
Для количественной оценки микроструктурных особенностей необходимо охарактеризовать как морфологические, так и материальные свойства. Обработка изображений — надежный метод определения морфологических характеристик, таких как объемная доля, морфология включений, 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. 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.
Генерация микроструктуры
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).
Влияние пор и состава
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 могут существовать несколько фаз. Эти разные фазы могут иметь разную кристаллическую структуру и, следовательно, проявлять разные механические свойства. Более того, эти разные фазы также имеют разную микроструктуру (размер зерен, ориентацию). 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.
Методы улучшения
В некоторых случаях простое изменение способа обработки материала может повлиять на микроструктуру. Примером является титановый сплав TiAl6V4. 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. Другие традиционные методы улучшения микроструктуры — это термические процессы. Эти процессы основаны на принципе, что повышение температуры вызовет уменьшение или уничтожение пор. 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.
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 аргон. Газ должен быть химически инертным, чтобы между ним и образцом не происходило никакой реакции. Давление достигается путем простого приложения 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 идет со всех сторон (отсюда термин «изостатическое»). Когда отливки обрабатываются методом HIP, одновременное приложение тепла и давления устраняет внутренние пустоты и микропористость посредством комбинации пластической деформации, ползучести и диффузионной связи; этот процесс повышает усталостную прочность компонента.