Kas yra Mikrostruktūra?

Mikrostruktūra reiškia medžiagos vidinių savybių išdėstymą ir organizavimą mikroskopiniu masteliu, paprastai stebimu nuo 1 nanometro iki 1000 mikrometrų. Šios savybės apima grūdelių ribas, fazių pasiskirstymą, kristalų orientaciją ir defektus, kurie tiesiogiai veikia medžiagos mechanines, elektrines ir šilumines savybes.

Mikrostruktūros mastas ir apimtis

Mikrostruktūra egzistuoja tam tikro dydžio diapazone, kurią norint stebėti, reikia padidinti. Dauguma mikrostruktūrinių savybių yra nuo 0,1 iki 100 mikrometrų, todėl optinė ir elektroninė mikroskopija yra pagrindiniai tyrimo įrankiai.

Skalė yra svarbi, nes ji yra tarp atominės struktūros (nano skalės) ir makrostruktūros (matomų savybių). Šiame tarpiniame lygmenyje medžiagos išsiugdo būdingas savybes. Plieninis komponentas plika akimi gali atrodyti vienodas, tačiau jo mikrostruktūra atskleidžia grūdelių raštus, karbido nuosėdas ir fazių ribas, kurios lemia, ar jis trapus, ar plastiškas.

Skirtingos medžiagos turi skirtingas mikrostruktūrines savybes. Metalai rodo grūdus ir grūdų ribas. Keramika rodo kristalines fazes ir poringumą. Polimerai atskleidžia molekulinių grandinių išdėstymą ir kristalines sritis. Kompozitai sujungia kelias mikrostruktūras vienoje medžiagų sistemoje.

Pagrindiniai mikrostruktūros komponentai

Grūdai ir grūdų ribos

Grūdeliai yra atskiros kristalinės sritys polikristalinėje medžiagoje. Kiekviename grūdelyje yra atomų, išsidėsčiusių tam tikroje kristalų struktūroje, tačiau orientacija skiriasi nuo gretimų grūdelių. Sąsajos tarp grūdelių-grūdelių ribos-veikia kaip kliūtys dislokacijos judėjimui ir daro didelę įtaką medžiagos stiprumui.

Grūdelių dydis tiesiogiai veikia mechanines savybes per Hall{0}}Petch ryšį. Mažesni grūdeliai suteikia daugiau grūdelių ribos, o tai sustiprina medžiagą, trukdydama dislokacijos judėjimui. Medžiaga su 10 mikrometrų grūdeliais bus silpnesnė nei ta pati medžiaga su 1 mikrometro grūdeliais.

Grūdelių ribos taip pat turi įtakos atsparumui korozijai, elektros laidumui ir įtrūkimų plitimui. Medžiagos, turinčios didelį grūdelių tankį, gali atsispirti įtrūkimų augimui, tačiau tam tikroje aplinkoje gali būti jautresnės tarpkristalinei korozijai.

Fazių paskirstymas

Daugelyje inžinerinių medžiagų yra kelios fazės{0}}skirtingos kristalų struktūros ar sudėties regionai. Pliene yra ferito ir cementito fazės. Aliuminio lydiniuose yra nuosėdų fazių, kurios sustiprina. Šių fazių pasiskirstymas, dydis ir morfologija lemia našumą.

Fazinės transformacijos terminio apdorojimo metu sukuria specifines mikrostruktūras. Grūdinant plieną susidaro martensitas – itin kieta, bet trapi fazė. Grūdinant dalis martensito paverčiama grūdintu martensitu, kurio kietumas yra geresnis. Gauta mikrostruktūra priklauso nuo transformacijos kinetikos ir taikomų aušinimo greičių.

Kristalo orientacija ir tekstūra

Atskiri grūdai turi specifinę kristalografinę orientaciją. Kai daugelis grūdų turi panašią orientaciją, medžiaga sukuria tekstūrą. Ši pageidaujama orientacija labai paveikia anizotropines savybes-, kai medžiaga skirtingomis kryptimis elgiasi skirtingai.

Valcuoti metalo lakštai paprastai sukuria stiprią tekstūrą dėl plastinės deformacijos. Giliai tempiamiems Elektros plienui reikia specialios orientacijos, kad būtų sumažinti magnetiniai nuostoliai. Tekstūros supratimas ir valdymas yra būtinas norint optimizuoti medžiagos veikimą kryptingai.

Defektai ir trūkumai

Tobulos kristalų struktūros tikrosiose medžiagose neegzistuoja. Mikrostruktūrose yra įvairių defektų: taškų defektų (laisvų vietų ir tarpinių), linijų defektų (išnirimų), plokštuminių defektų (grūdų ribos ir krovimo defektai), tūrio defektų (porų ir inkliuzų).

Šie trūkumai nebūtinai yra blogi. Dislokacijos įgalina plastines deformacijas, leidžiančias metalams lenkti nelūžinėjant. Kontroliuojamas poringumas keramikoje užtikrina šilumos izoliaciją. Svarbiausia yra suprasti, kurie trūkumai padeda arba kenkia konkrečioms programoms.

Kaip susidaro mikrostruktūra

Apdorojimo istorija lemia mikrostruktūrą. Kietėjimas iš lydalo sukuria pradinę grūdelių struktūrą. Vėlesnis mechaninis apdirbimas išgrynina grūdelius ir įveda deformacines tekstūras. Terminis apdorojimas sukelia fazių transformacijas ir grūdų augimą.

Aušinimo greitis kietėjimo metu labai paveikia grūdelių dydį. Greitai atvėsus, susidaro smulkūs grūdeliai, kurių augimo laikas ribotas. Lėtas aušinimas leidžia vystytis didesniems grūdams. Liejant smėliu dėl skirtingo aušinimo greičio susidaro stambesnės mikrostruktūros nei liejant slegiant.

Dėl plastinės deformacijos valcavimo, kalimo ar ekstruzijos metu grūdeliai suskaidomi ir pailgėja, kartu sukuriant didelį dislokacijos tankį. Šis darbo grūdinimas sustiprina medžiagą, bet sumažina elastingumą. Vėlesnis atkaitinimas leidžia perkristalizuoti-nauji deformaciją-neturintys grūdai, formuojasi branduoliai ir auga, atkuriant plastiškumą.

Pažangios apdorojimo technologijos, pvzmetalo įpurškimassukurti unikalias mikrostruktūras, derinant miltelinę metalurgiją su plastiko liejimu. Sukepinimo procese sujungiamos metalo miltelių dalelės ir susidaro smulkiagrūdės-grūdės mikrostruktūros, kurios beveik -grynosios-formos tikslumos sudėtingiems komponentams.

Mikrostruktūros stebėjimas ir analizė

Metalografinis paruošimas

Norint atskleisti mikrostruktūrą, reikia kruopščiai paruošti mėginį. Pjovimas, montavimas, šlifavimas ir poliravimas sukuria plokščią, įbrėžimą{1}}neįbrėžtą paviršių. Cheminis arba elektrocheminis ėsdinimas pažeidžia grūdelių ribas ir fazių sąsajas, todėl jos matomos padidinus.

Skirtingi ofortai atskleidžia skirtingas savybes. Nitalas (azoto rūgštis alkoholyje) rodo grūdelių ribas pliene. Kellerio reagentas atskleidžia aliuminio lydinių grūdelių struktūrą. Oforto pasirinkimas priklauso nuo medžiagos sistemos ir dominančių savybių.

Mikroskopijos metodai

Optinė mikroskopija leidžia padidinti iki 1000 kartų pagrindiniam mikrostruktūros stebėjimui. Tai greita, palyginti nebrangi ir pakankama daugeliui kokybės kontrolės programų. Grūdelių dydis, fazės identifikavimas ir įtraukimo kiekis gali būti vertinamas optiškai.

Skenuojanti elektroninė mikroskopija (SEM) padidina didinimą iki 100 000 kartų ir suteikia puikų lauko gylį. SEM atskleidžia smulkias nuosėdas, lūžių paviršius ir topografines ypatybes, nematomas optiniuose mikroskopuose. Energijos-dispersinė rentgeno-spektroskopija (EDS), prijungta prie SEM, suteikia elementų sudėties analizę.

Perdavimo elektronų mikroskopija (TEM) pasiekia didžiausią padidinimą ir atskleidžia atomines{0}}mastelio ypatybes. Matosi išnirimai, nuosėdų struktūros ir sąsajos charakteristikos. TEM reikalingas išsamus mėginio paruošimas, tačiau jis suteikia neprilygstamą skiriamąją gebą pagrindiniams mikrostruktūros tyrimams.

Mikrostruktūra{0}}Nuosavybės santykiai

Mechaninės savybės

Stiprumas, lankstumas, kietumas ir kietumas priklauso nuo mikrostruktūrinių savybių. Smulkiagrūdės-medžiagos geriau atsparios deformacijai nei stambiagrūdės{2}}. Nuosėdų paskirstymas kontroliuoja aliuminio ir nikelio -lydinių stiprinimą. Fazės morfologija lemia, ar plienas bus kietas ar trapus.

Dviejų{0}}fazių pliene yra kieto martensito salelės minkštoje ferito matricoje. Ši mikrostruktūra apjungia didelį stiprumą iš martensito su geru formuojamumu iš ferito -savybėmis, kurių neįmanoma pasiekti vienfazių -plienų.

Fizinės savybės

Elektros laidumas mažėja didėjant grūdelių ribos tankiui, nes ribos išsklaido elektronus. Šilumos laidumas atitinka panašias tendencijas. Magnetinės savybės labai priklauso nuo grūdelių orientacijos ir srities struktūros.

Atsparumas korozijai

Grūdelių ribos dažnai rūdija, ypač įjautrintame nerūdijančiame pliene, kurio ribose nusėda chromo karbidai. Smulkiagrūdės -grūdės medžiagos, turinčios didesnį ribinį plotą, gali būti jautresnės tarpkristalinei korozijai. Fazių pasiskirstymas taip pat veikia lokalizuotus korozijos{3}inkliuzus, o antrosios fazės gali veikti kaip anodinės arba katodinės vietos.

Programų mikrostruktūros valdymas

Inžinieriai manipuliuoja apdorojimu, kad pasiektų norimas mikrostruktūras. Automobilių lakštiniam plienui formuoti reikia specialių ferito{1}}perlito mikrostruktūrų. Aviacijos ir kosmoso aliuminio stiprumui užtikrinti reikalingas kontroliuojamas nuosėdų pasiskirstymas. Turbinų mentėse naudojamos pavienės-kristalinės arba kryptingai sukietėjusios mikrostruktūros, kad būtų pašalintos įtempimui statmenos grūdelių ribos.

Priedų gamyba kelia naujų mikrostruktūrinių iššūkių. Greitas kietėjimas ir pakartotinis terminis ciklas sukuria unikalias grūdelių struktūras ir fazių pasiskirstymą. Norint gauti 3D{4}}spausdintus komponentus, būtina suprasti šiuos proceso -struktūrų ryšius.

Mikrostruktūrinis dizainas ir toliau tobulėja. Nanostruktūrinių medžiagų grūdelių dydis yra mažesnis nei 100 nanometrų, kad būtų išskirtinis stiprumas. Gradiento mikrostruktūrų savybės skiriasi priklausomai nuo komponento storio. Kelių-mastų mikrostruktūrų inžinerija vienu metu optimizuoja skirtingo ilgio skales.

Įvairių medžiagų bendros mikrostruktūros savybės

Plienai: Feritas, perlitas, bainitas, martensitas, išlikęs austenitas, karbidai ir grūdelių dydžio svyravimai, priklausomai nuo sudėties ir terminio apdorojimo.

Aliuminio lydiniai: pirminiai aliuminio grūdeliai, nuosėdų fazės (pvz., θ' 2xxx serijoje arba '' 6xxx serijoje), grūdelių ribinės nuosėdos ir dispersoidai.

Titano lydiniai: alfa ir beta fazės su sluoksniuotomis, lygiagrečiomis arba bimodalinėmis morfologijomis. Kolonijos struktūra + lydiniuose.

Keramika: kristaliniai grūdeliai, stiklinių grūdelių ribinės fazės, poringumas ir antrosios -fazės dalelės. Grūdelių dydis kritiškai veikia mechanines savybes.

Polimerai: kristalinės ir amorfinės sritys, sferulitinės struktūros pusiau kristaliniuose polimeruose ir faziniai -atskirti domenai blokiniuose kopolimeruose.

Dažnai užduodami klausimai

Kodėl grūdelių dydis turi įtakos medžiagos stiprumui?

Grūdelių ribos blokuoja dislokacinį judėjimą, todėl metalai plastiškai deformuojasi. Mažesni grūdeliai reiškia daugiau grūdų ribų tūrio vienetui, todėl atsiranda daugiau kliūčių dislokacijos judėjimui. Šis atsparumas išnirimo judėjimui padidina įtampą, reikalingą medžiagai deformuoti, todėl ji tampa tvirtesnė. Hall-Petch lygtis kiekybiškai įvertina šį ryšį matematiškai.

Ar gali dvi tos pačios sudėties medžiagos turėti skirtingas savybes?

Taip, ir mikrostruktūra yra priežastis. Plienas su 0,4 % anglies gali būti minkštas ir plastiškas arba itin kietas ir trapus, priklausomai nuo jo mikrostruktūros. Terminis apdorojimas, mechaninis apdorojimas ir aušinimo greitis keičia mikrostruktūrą nekeičiant sudėties. Štai kodėl apdorojimas yra toks pat svarbus kaip medžiagos pasirinkimas.

Kaip greitai gali pasikeisti mikrostruktūra?

Tai priklauso nuo temperatūros ir mechanizmo. Fazių transformacijos gesinimo metu vyksta milisekundėmis. Grūdų augimas atkaitinimo metu trunka nuo kelių minučių iki valandų. Krituliai senstant-kietėjančiuose lydiniuose atsiranda per kelias valandas ar dienas. Kambario -temperatūrų mikrostruktūriniai pokyčiai vyksta labai lėtai, todėl dauguma medžiagų eksploatacijos metu išlieka stabilios.

Kuo skiriasi mikrostruktūra ir kristalinė struktūra?

Kristalų struktūra apibūdina atomų išsidėstymą tobulame kristale{0}}pasikartojančiame vienetiniame elemente. Mikrostruktūra apibūdina, kaip šios kristalinės sritys (grūdelės) yra išdėstytos, orientuotos ir paskirstytos kartu su ribomis, fazėmis ir defektais. Kristalų struktūra yra atominės-skalės; mikrostruktūra yra mikroskopinio-masto.

Mikrostruktūrų sritis ir toliau vystosi taikant naujus apibūdinimo metodus. 3D mikroskopijos metodai dabar atskleidžia mikrostruktūras trijų dimensijų, o ne dviejų{1}}dimensijų{2}} pjūvių. Mašininio mokymosi algoritmai analizuoja tūkstančius mikrostruktūrinių vaizdų, kad nuspėtų savybes arba nustatytų optimalius apdorojimo būdus. Dėl šios pažangos mikrostruktūrų inžinerija tampa labiau nuspėjama ir mažiau empiriška.

Mikrostruktūros supratimas užpildo atotrūkį tarp apdorojimo ir savybių. Tai paaiškina, kodėl medžiagos elgiasi taip, kaip elgiasi, ir suteikia žinių, reikalingų našumui pagerinti kontroliuojant apdorojimą.