WikiDer > Микроструктура - Википедия

Microstructure - Wikipedia
Металлография позволяет металлургу изучать микроструктуру металлов.
Микрофотография бронзы, на которой видна литая дендритная структура.
Al-Si микроструктура

Микроструктура - это очень мелкомасштабная структура материала, определяемая как структура подготовленной поверхности материала, выявленная оптическим микроскопом при увеличении более 25 раз.[1] Микроструктура материала (например, металлы, полимеры, керамика или же композиты) 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 масштабе меньше, чем можно увидеть с помощью оптические микроскопы часто называют наноструктура, а структура, в которой расположены отдельные атомы, известна как Кристальная структура. Наноструктура биологических образцов называется ультраструктура. 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, его состав тоже. Фактически, для многих материалов одновременно могут существовать разные фазы. Эти фазы имеют разные свойства и при правильном обращении могут предотвратить разрушение материала.

Методы

Понятие микроструктуры проявляется в макроструктурных особенностях обычных объектов. Оцинкованный сталь, такая как кожух фонарного столба или разделителя дороги, демонстрирует неоднородно окрашенное лоскутное одеяло из переплетенных многоугольников разных оттенков серого или серебристого. Каждый многоугольник представляет собой монокристалл цинк прилипает к поверхности стали под ним. Цинк и свинец - два обычных металла, которые образуют крупные кристаллы (зерна), видимые невооруженным глазом. Атомы в каждом зерне организованы в одну из семи схем трехмерной укладки или кристаллические решетки (кубический, тетраэдрический, гексагональный, моноклинный, триклинный, ромбоэдрический и ромбический). Направление выравнивания матриц различается между соседними кристаллами, что приводит к различиям в отражательной способности каждой представленной грани сцепленных зерен на оцинкованной поверхности. Средний размер зерен можно регулировать условиями обработки и составом, и большинство сплавов состоят из зерен гораздо меньшего размера, невидимых невооруженным глазом. Это необходимо для увеличения прочности материала (см. Усиление Холла-Петча).

Характеристики микроструктуры

Для количественной оценки микроструктурных особенностей необходимо охарактеризовать как морфологические свойства, так и свойства материала. Обработка изображений - это надежный метод определения морфологических характеристик, таких как объемная доля,[2] морфология включения,[3] ориентации пустот и кристаллов. Для получения микрофотографий обычно используют оптическую и электронную микроскопию. Для определения свойств материала наноиндентирование - это надежный метод определения свойств на микронном и субмикронном уровнях, для которых обычные испытания невозможны. Обычные механические испытания, такие как испытание на растяжение или динамический механический анализ (DMA), могут возвращать только макроскопические свойства без каких-либо указаний на микроструктурные свойства. Однако наноиндентирование можно использовать для определения локальных микроструктурных свойств как однородных, 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]

Создание микроструктуры

Микроструктуры, смоделированные на компьютере, воспроизводят микроструктурные особенности реальных микроструктур. Такие микроструктуры называют синтетическими микроструктурами. Синтетические микроструктуры используются для исследования того, какая микроструктурная характеристика важна для данного свойства. Чтобы гарантировать статистическую эквивалентность между созданными и реальными микроструктурами, микроструктуры модифицируются после генерации, чтобы соответствовать статистике реальной микроструктуры. Такая процедура позволяет генерировать теоретически бесконечное количество смоделированных на компьютере микроструктур, которые статистически одинаковы (имеют одинаковую статистику), но стохастически различны (имеют разные конфигурации).[3][8]

Компьютерное моделирование микроструктуры композиционных материалов.[3]

Влияние пор и состава

Пора в микроструктуре, если это не требуется, является недостатком для свойств. Фактически, почти во всех материалах поры будут отправной точкой для разрыва материала. Это точка зарождения трещин. Кроме того, от поры обычно довольно сложно избавиться. Эти методы, описанные ниже, включают высокотемпературный процесс. Однако даже эти процессы иногда могут увеличить поры. 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 для роста частиц, которая будет вызывать рост поры, поскольку высокое координационное число препятствует росту к поре. Для многих материалов это можно увидеть по их фазе. Диаграмма показывает, что одновременно могут существовать несколько фаз. Эти разные фазы могут иметь разную кристаллическую структуру, таким образом проявляя разные механические свойства.[9] Кроме того, эти разные фазы также имеют разную микроструктуру (размер зерен, ориентацию).[10] Это также может улучшить некоторые механические свойства, поскольку может произойти прогиб трещины, что приведет к дальнейшему разрушению, поскольку это создает более извилистый путь трещины в более крупной микроструктуре.[11]

Методы улучшения

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 (селективное лазерное плавление), которое представляет собой технологию 3D-печати с использованием порошка и плавления частиц вместе с использованием мощного лазера.[13] Другими обычными методами улучшения микроструктуры являются термические процессы.[14] В основе этих процессов лежит принцип, согласно которому повышение температуры вызывает уменьшение или аннигиляцию пор.[15] Горячее изостатическое прессование (ГИП) - это производственный процесс, используемый для уменьшения пористости металлов и увеличения плотности многих керамика материалы. Это улучшает механические свойства и обрабатываемость материала.[16] В процессе ГИП желаемый материал подвергается воздействию изостатического давления газа, а также высокой температуры в герметичном сосуде (высокое давление). Газ, используемый в этом процессе, - это в основном аргон. Газ должен быть химически инертным, чтобы не происходило реакции между ним и образцом. Давление достигается простым нагревом герметично закрытого сосуда. Однако в некоторых системах перекачка газа также связана с технологическим процессом для достижения необходимого уровня давления. Давление, прилагаемое к материалам, одинаково и исходит со всех сторон (отсюда и термин «изостатическое»).[17] Когда отливки обрабатываются HIP, одновременное приложение тепла и давления устраняет внутренние пустоты и микропористость за счет комбинации пластической деформации, ползучести и диффузионного связывания; этот процесс улучшает сопротивление усталости детали.[18]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Адаптировано из Справочника по металлам ASM, девятое издание, т. 9, «Металлография и микроструктуры», Американское общество металлов, Металл Парк, Огайо, 1985, стр. 12.
  2. ^ https://www.researchgate.net/publication/279771139_Uncorrelated_volume_element_for_stochastic_modeling_of_microstructures_based_on_local_fiber_volume_fraction_variation
  3. ^ а б c https://www.researchgate.net/publication/305803249_Characterization_synthetic_generation_and_statistical_equivalence_of_composite_microstructures
  4. ^ https://www.researchgate.net/publication/292208855_Length-scale_dependence_of_variability_in_epoxy_modulus_extracted_from_composite_prepreg
  5. ^ Тахмасеби, Педжман (20 февраля 2018 г.). «Точное моделирование и оценка микроструктур сложных материалов». Физический обзор E. 97 (2): 023307. Дои:10.1103 / PhysRevE.97.023307. PMID 29548238.
  6. ^ Тахмасеби, Педжман (2018). «Наноразмерные и многомасштабные модели для образцов сланца». Топливо. 217: 218–225. Дои:10.1016 / j.fuel.2017.12.107.
  7. ^ Тахмасеби, Педжман; Сахими, Мухаммад (29.06.2018). «Стохастический многомасштабный алгоритм для моделирования сложных сыпучих материалов». Гранулированное вещество. 20 (3). Дои:10.1007 / s10035-018-0816-z. ISSN 1434-5021. S2CID 85549903.
  8. ^ Тахмасеби, Педжман (20 февраля 2018 г.). «Точное моделирование и оценка микроструктур сложных материалов». Физический обзор E. 97 (2). Дои:10.1103 / Physreve.97.023307. ISSN 2470-0045. PMID 29548238.
  9. ^ Обервинклер, Б., Моделирование поведения роста усталостной трещины Ti-6Al-4V с учетом размера зерна и соотношения напряжений. Материаловедение и инженерия: A 2011, 528 (18), 5983-5992.
  10. ^ Sieniawski, J .; Ziaja, W .; Кубяк, К .; Мотыка М. Микроструктура и механические свойства высокопрочных двухфазных титановых сплавов. Титановые сплавы - достижения в области контроля свойств 2013, 69-80.
  11. ^ Nalla, R .; Boyce, B .; Кэмпбелл, Дж .; Peters, J .; Ричи Р. Влияние микроструктуры на многоцикловую усталость Ti-6Al-4V: бимодальные и ламеллярные структуры. Металлургические операции и операции с материалами A 2002, 33 (13), 899-918.
  12. ^ Энрикес, В. А. Р .; Кампос, П. П. д .; Каир, К. А. А .; Брессиани Дж. С. Производство титановых сплавов для перспективных аэрокосмических систем методом порошковой металлургии. Исследование материалов 2005, 8 (4), 443-446.
  13. ^ Kruth, J.P .; Mercelis, P .; Van Vaerenbergh, J .; Froyen, L .; Ромбоут М. Механизмы связывания в селективном лазерном спекании и селективном лазерном плавлении. Журнал быстрого прототипирования 2005, 11 (1), 26-36.
  14. ^ Murr, L .; Хиноны, S .; Гайтан, С .; Lopez, M .; Родела, А .; Martinez, E .; Hernandez, D .; Martinez, E .; Медина, Ф .; Викер Р., Микроструктура и механическое поведение Ti – 6Al – 4V, полученного методом быстрого послойного производства, для биомедицинских приложений. Журнал механического поведения биомедицинских материалов 2009, 2 (1), 20-32.
  15. ^ Касперович, Г .; Хаусманн Дж. Повышение сопротивления усталости и пластичности TiAl6V4, обработанного методом селективного лазерного плавления. Журнал технологий обработки материалов 2015, 220, 202-214.
  16. ^ Lin, C. Y .; Wirtz, T .; LaMarca, F .; Холлистер, С. Дж., Структурные и механические оценки оптимизированной по топологии сепаратора для межтелового сплавления титана, изготовленного методом селективной лазерной плавки. Журнал исследований биомедицинских материалов, часть A 2007, 83 (2), 272-279.
  17. ^ Leuders, S .; Thöne, M .; Riemer, A .; Niendorf, T .; Tröster, T .; Ричард, H .; Майер Х. О механическом поведении титанового сплава TiAl6V4, изготовленного методом селективного лазерного плавления: сопротивление усталости и рост трещин. Международный журнал усталости 2013, 48, 300-307.
  18. ^ Larker, H.T .; Ларкер Р. Горячее изостатическое прессование. Материаловедение и технологии 1991.

Внешняя ссылка