Mikrostruktur

Metallografi tillåter metallurgen att studera mikrostrukturen hos metaller.
En mikrofotografi av brons som avslöjar en gjuten dendritisk struktur
Al - Si mikrostruktur

Mikrostruktur är den mycket småskaliga strukturen hos ett material, definierad som strukturen av en förberedd yta av material som avslöjas av ett optiskt mikroskop över 25× förstoring. Mikrostrukturen hos ett material (såsom metaller , polymerer , keramik eller kompositer ) kan starkt påverka fysikaliska egenskaper såsom hållfasthet, seghet, duktilitet, hårdhet, korrosionsbeständighet, hög/låg temperatur beteende eller slitstyrka. Dessa egenskaper styr i sin tur tillämpningen av dessa material i industriell praxis.

Mikrostruktur i skalor som är mindre än vad som kan ses med optiska mikroskop kallas ofta nanostruktur , medan strukturen som enskilda atomer är ordnade i kallas kristallstruktur . Nanostrukturen hos biologiska prover kallas ultrastruktur . En mikrostrukturs inverkan på ett materials mekaniska och fysikaliska egenskaper styrs i första hand av de olika defekter som finns eller saknas i strukturen. Dessa defekter kan ta många former men de primära är porerna. Även om dessa porer spelar en mycket viktig roll i definitionen av egenskaperna hos ett material, så spelar dess sammansättning också. Faktum är att för många material kan olika faser existera samtidigt. Dessa faser har olika egenskaper och kan, om de hanteras på rätt sätt, förhindra brott på materialet.

Metoder

Begreppet mikrostruktur är observerbart i makrostrukturella egenskaper i vanliga objekt. Galvaniserat stål, såsom höljet till en lyktstolpe eller vägavdelare, uppvisar ett ojämnt färgat lapptäcke av sammankopplade polygoner av olika nyanser av grått eller silver. Varje polygon är en enda kristall av zink som fäster på ytan av stålet under. Zink och bly är två vanliga metaller som bildar stora kristaller (korn) som är synliga för blotta ögat. Atomerna i varje korn är organiserade i ett av sju 3d-staplingsarrangemang eller kristallgitter (kubiska, tetraedriska, hexagonala, monokliniska, trikliniska, romboedriska och ortorhombiska). Riktningen för inriktningen av matriserna skiljer sig mellan intilliggande kristaller, vilket leder till variation i reflektiviteten för varje presenterad yta av de sammankopplade kornen på den galvaniserade ytan. Den genomsnittliga kornstorleken kan styras av bearbetningsförhållanden och sammansättning, och de flesta legeringar består av mycket mindre korn som inte är synliga för blotta ögat. Detta för att öka hållfastheten i materialet (se Hall-Petch Strengthening ) .

Mikrostrukturkarakteriseringar

För att kvantifiera mikrostrukturella egenskaper måste både morfologiska och materiella egenskaper karakteriseras. Bildbehandling är en robust teknik för bestämning av morfologiska egenskaper såsom volymfraktion, inklusionsmorfologi, tomrum och kristallorientering. För att ta mikrofotografier används vanligtvis optisk såväl som elektronmikroskopi. För att bestämma materialegenskaper är Nanoindentation en robust teknik för bestämning av egenskaper i mikron och submikronnivå för vilka konventionella tester inte är möjliga. Konventionell mekanisk testning såsom dragprovning eller dynamisk mekanisk analys (DMA) kan endast returnera makroskopiska egenskaper utan någon indikation på mikrostrukturella egenskaper. Emellertid kan nanoindentation användas för bestämning av lokala mikrostrukturella egenskaper hos homogena såväl som heterogena material. Mikrostrukturer kan också karakteriseras med hjälp av högordningsstatistiska modeller genom vilka en uppsättning komplicerade statistiska egenskaper extraheras från bilderna. Sedan kan dessa egenskaper användas för att producera olika andra stokastiska modeller.

Generering av mikrostruktur

Mikrostrukturgenerering är också känd som stokastisk mikrostrukturrekonstruktion. Datorsimulerade mikrostrukturer genereras för att replikera de mikrostrukturella egenskaperna hos faktiska mikrostrukturer. Sådana mikrostrukturer hänvisas till som syntetiska mikrostrukturer. Syntetiska mikrostrukturer används för att undersöka vilken mikrostruktur som är viktig för en given egenskap. För att säkerställa statistisk likvärdighet mellan genererade och faktiska mikrostrukturer, modifieras mikrostrukturer efter generering för att matcha statistiken för en verklig mikrostruktur. En sådan procedur möjliggör generering av teoretiskt oändligt antal datorsimulerade mikrostrukturer som är statistiskt lika (har samma statistik) men stokastiskt olika (har olika konfigurationer).

En datorsimulerad mikrostruktur av kompositmaterial

Påverkan av porer och sammansättning

En por i en mikrostruktur, om inte så önskas, är en nackdel för egenskaperna. Faktum är att i nästan alla material kommer en por att vara utgångspunkten för materialets bristning. Det är startpunkten för sprickorna. Dessutom är en por vanligtvis ganska svår att bli av med. De tekniker som beskrivs senare involverar en högtemperaturprocess. Men även dessa processer kan ibland göra porerna ännu större. Porer med stort koordinationstal (omgivna av många partiklar) tenderar att växa under den termiska processen. Detta orsakas av att den termiska energin omvandlas till en drivkraft för tillväxten av partiklarna vilket kommer att inducera tillväxten av poren eftersom det höga koordinationstalet hindrar tillväxten mot poren. För många material kan man se från deras fasdiagram att flera faser kan existera samtidigt. Dessa olika faser kan uppvisa olika kristallstruktur och således uppvisa olika mekaniska egenskaper. Dessutom uppvisar dessa olika faser också en annan mikrostruktur (kornstorlek, orientering). Detta kan också förbättra vissa mekaniska egenskaper eftersom sprickavböjning kan inträffa, vilket pressar det slutliga sammanbrottet ytterligare eftersom det skapar en mer slingrande sprickväg i den grövre mikrostrukturen.

Förbättringstekniker

I vissa fall kan det påverka mikrostrukturen genom att helt enkelt ändra hur materialet bearbetas. Ett exempel är titanlegeringen TiAl6V4. Dess mikrostruktur och mekaniska egenskaper förbättras med hjälp av SLM (selektiv lasersmältning) som är en 3D-utskriftsteknik som använder pulver och smälter samman partiklarna med högeffektslaser. Andra konventionella tekniker för att förbättra mikrostrukturen är termiska processer. Dessa processer bygger på principen att en ökning av temperaturen kommer att inducera minskning eller förintelse av porer. Varmisostatisk pressning (HIP) är en tillverkningsprocess som används för att minska metallernas porositet och öka densiteten hos många keramiska material. Detta förbättrar materialets mekaniska egenskaper och bearbetbarhet. HIP-processen utsätter det önskade materialet för ett isostatiskt gastryck samt hög temperatur i ett förseglat kärl (högt tryck). Gasen som används under denna process är till största delen argon. Gasen måste vara kemiskt inert så att ingen reaktion sker mellan den och provet. Trycket uppnås genom att helt enkelt applicera värme på det hermetiskt tillslutna kärlet. Vissa system kopplar dock även gaspumpning till processen för att uppnå den erforderliga trycknivån. Trycket som appliceras på materialen är lika och kommer från alla håll (därav termen "isostatisk"). När gjutgods behandlas med HIP, eliminerar den samtidiga appliceringen av värme och tryck inre hålrum och mikroporositet genom en kombination av plastisk deformation, krypning och diffusionsbindning; denna process förbättrar utmattningsmotståndet hos komponenten.

Se även

  • Onormal korntillväxt – materialvetenskapsfenomen
  • Kristallit – Liten kristall som bildas under vissa förhållanden
  • Fraktografi – Studie av materials brottytor
  • Korngräns – Gränssnitt mellan kristalliter i ett polykristallint material
  • Metallurgi – vetenskapsområde som studerar metallers fysiska och kemiska beteende
  • Micrograph – Process för att producera bilder med ett mikroskop
  1. ^ Anpassat från ASM Metals Handbook, nionde upplagan, v. 9, "Metallography and Microstructures", American Society for Metals, Metals Park, OH, 1985, s. 12.
  2. ^ Sanei Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. (2015). "Okorrelerat volymelement för stokastisk modellering av mikrostrukturer baserat på lokal fibervolymfraktionsvariation" . Kompositer vetenskap och teknik . 117 : 191–198. doi : 10.1016/j.compscitech.2015.06.010 .
  3. ^ a b c   Sanei, Seyed Hamid Reza; Barsotti, Ercole J.; Leonhardt, David; Fertig, Ray S. (2017). "Karakterisering, syntetisk generering och statistisk ekvivalens av sammansatta mikrostrukturer" . Journal of Composite Materials . 51 (13): 1817–1829. Bibcode : 2017JCoMa..51.1817S . doi : 10.1177/0021998316662133 . S2CID 138768783 .
  4. ^ Sanei Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. (2016). "Längdskala beroende av variabilitet i epoximodul extraherad från kompositprepreg" . Polymertestning . 50 : 297–300. doi : 10.1016/j.polymertesting.2015.12.015 .
  5. ^ Cui, Shaoqing; Fu, Jinlong; Cen, Sång; Thomas, Hywel R.; Li, Chenfeng (oktober 2021). "Korrelationen mellan statistiska deskriptorer av heterogena material" . Datormetoder i tillämpad mekanik och teknik . 384 : 113948. Bibcode : 2021CMAME.384k3948C . doi : 10.1016/j.cma.2021.113948 .
  6. ^   Tahmasebi, Pejman (2018-02-20). "Exakt modellering och utvärdering av mikrostrukturer i komplexa material". Fysisk granskning E . 97 (2): 023307. Bibcode : 2018PhRvE..97b3307T . doi : 10.1103/PhysRevE.97.023307 . PMID 29548238 .
  7. ^ Tahmasebi, Pejman (2018). "Nanoskala och multiupplösningsmodeller för skifferprover". Bränsle . 217 : 218–225. doi : 10.1016/j.fuel.2017.12.107 .
  8. ^    Tahmasebi, Pejman; Sahimi, Muhammad (2018-06-29). "En stokastisk flerskalig algoritm för modellering av komplexa granulära material". Granulär materia . 20 (3). doi : 10.1007/s10035-018-0816-z . ISSN 1434-5021 . S2CID 85549903 .
  9. ^   Fu, Jinlong; Cui, Shaoqing; Cen, Sång; Li, Chenfeng (januari 2021). "Statistisk karakterisering och rekonstruktion av heterogena mikrostrukturer med djupa neurala nätverk" . Datormetoder i tillämpad mekanik och teknik . 373 : 113516. Bibcode : 2021CMAME.373k3516F . doi : 10.1016/j.cma.2020.113516 . S2CID 228892100 .
  10. ^   Fu, Jinlong; Xiao, Dunhui; Li, Dongfeng; Thomas, Hywel R.; Li, Chenfeng (februari 2022). "Stokastisk rekonstruktion av 3D-mikrostrukturer från 2D-tvärsnittsbilder med hjälp av maskininlärningsbaserad karakterisering" . Datormetoder i tillämpad mekanik och teknik . 390 : 114532. Bibcode : 2022CMAME.390k4532F . doi : 10.1016/j.cma.2021.114532 . S2CID 245888532 .
  11. ^    Tahmasebi, Pejman (2018-02-20). "Exakt modellering och utvärdering av mikrostrukturer i komplexa material". Fysisk granskning E . 97 (2): 023307. Bibcode : 2018PhRvE..97b3307T . doi : 10.1103/physreve.97.023307 . ISSN 2470-0045 . PMID 29548238 .
  12. ^ Oberwinkler, B., Modellering av utmattningssprickans tillväxtbeteende av Ti-6Al-4V genom att beakta kornstorlek och spänningsförhållande. Materialvetenskap och teknik: A 2011, 528 (18), 5983-5992.
  13. ^ Sieniawski, J.; Ziaja, W.; Kubiak, K.; Motyka, M., Mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos höghållfasta tvåfas titanlegeringar. Titanium Alloys-Advances in Properties Control 2013, 69-80.
  14. ^ Nalla, R.; Boyce, B.; Campbell, J.; Peters, J.; Ritchie, R., Inverkan av mikrostruktur på högcykelutmattning av Ti-6Al-4V: bimodala vs lamellära strukturer. Metallurgiska och materialtransaktioner A 2002, 33 (13), 899-918.
  15. ^ Henriques VAR; Campos, PP d.; Kairo, CAA; Bressiani, JC, Tillverkning av titanlegeringar för avancerade flygsystem genom pulvermetallurgi. Materials Research 2005, 8 (4), 443-446.
  16. ^ Kruth, J.-P.; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M., Bindningsmekanismer vid selektiv lasersintring och selektiv lasersmältning. Rapid prototyping journal 2005, 11 (1), 26-36.
  17. ^ Murr, L.; Kinoner, S.; Gaytan, S.; Lopez, M.; Rodela, A.; Martinez, E.; Hernandez, D.; Martinez, E.; Medina, F.; Wicker, R., Mikrostruktur och mekaniskt beteende hos Ti-6Al-4V producerat av snabbskiktstillverkning, för biomedicinska applikationer. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 2009, 2 (1), 20-32.
  18. ^ Kasperovich, G.; Hausmann, J., Förbättring av utmattningsmotstånd och duktilitet hos TiAl6V4 bearbetad genom selektiv lasersmältning. Journal of Materials Processing Technology 2015, 220, 202-214.
  19. ^ Lin, CY; Wirtz, T.; LaMarca, F.; Hollister, SJ, Strukturella och mekaniska utvärderingar av en topologioptimerad fusionsbur av titan mellan kroppar tillverkad av selektiv lasersmältningsprocess. Journal of Biomedical Materials Research Part A 2007, 83 (2), 272-279.
  20. ^ Leuders, S.; Thöne, M.; Riemer, A.; Niendorf, T.; Tröster, T.; Richard, H.; Maier, H., Om det mekaniska beteendet hos titanlegering TiAl6V4 tillverkad genom selektiv lasersmältning: Utmattningsmotstånd och spricktillväxtprestanda. International Journal of Fatigue 2013, 48, 300-307.
  21. ^ Larker, HT; Larker, R., Varm isostatisk pressning. Materialvetenskap och teknik 1991.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Microstructure&oldid=1133207169 "