Mikrostruktuur

Mikrostruktuur is die baie kleinskaalse struktuur van 'n materiaal, gedefinieer as die struktuur van 'n voorbereide oppervlak van materiaal soos waargeneem met 'n optiese mikroskoop bo 25× vergroting.^[1] Die mikrostruktuur van 'n materiaal (soos metale, polimere, keramiek of komposiete)kan fisiese eienskappe soos sterkte, taaiheid, rekbaarheid, hardheid, korrosiebestandheid, hoë/lae temperatuurgedrag of slytweerstand sterk beïnvloed. Hierdie eienskappe bepaal op hul beurt die toepassing van hierdie materiale in die praktyk.

'n Mikrofoto van brons wat 'n gegote dendritiese struktuur toon

Mikrostruktuur op skale wat kleiner is as wat met optiese mikroskope gesien kan word, word dikwels nanostruktuur genoem, terwyl die struktuur waarin individuele atome gerangskik is, bekend staan as die kristalstruktuur . Die nanostruktuur van biologiese monsters word ultrastruktuur genoem. 'n Mikrostruktuur se invloed op die meganiese en fisiese eienskappe van 'n materiaal word hoofsaaklik beheer deur die verskillende defekte teenwoordig of afwesig in die struktuur. Hierdie defekte kan baie vorme aanneem, maar die belangrikstes is porieë. Alhoewel porieë 'n baie belangrike rol speel in die bepaling van die eienskappe van 'n materiaal, is die samestelling van die material ook belangrik. Trouens, vir baie materiale kan verskillende fases gelyktydig bestaan. Hierdie fases het verskillende eienskappe en as dit reg bestuur word, kan dit faling van die materiaal voorkom.

Metodes

Die konsep van mikrostruktuur is waarneembaar in makrostrukturele kenmerke in alledaagse voorwerpe. Gegalvaniseerde staal, soos die omhulsel van 'n lamppaal of padverdeler, vertoon 'n nie-eenvormige gekleurde lapwerk van ineenlopende veelhoeke van verskillende skakerings van grys of silwer. Elke veelhoek is 'n enkelkristal van sink wat aan die oppervlak van die staal daaronder vaskleef. Sink en lood is twee algemene metale wat groot kristalle (korrels) vorm wat met die blote oog sigbaar is. Die atome in elke korrel is georganiseer in een van sewe 3d-stapelingsrangskikkings of kristalroosters (kubies, tetraëdries, seskantig, monoklinies, triklinies, romboëdries en ortorombies). Die rigting van belyning van die roosters verskil tussen aangrensende kristalle, wat lei tot variasie in die reflektiwiteit van elke kristalvlak van die ineengeskakelde korrels op die gegalvaniseerde oppervlak. Die gemiddelde korrelgrootte kan deur bewerkingstoestande en samestelling beheer word. Die meeste legerings bestaan uit baie kleiner korrels wat nie met die blote oog sigbaar is nie. Hoe kleiner die korrels, hoe sterker is die materiaal (sien Hall-Petch Versterking).

Mikrostruktuur-karakteriserings

Om mikrostrukturele kenmerke te kwantifiseer, moet beide morfologiese en materiaaleienskappe gekarakteriseer word. Beeldverwerking is 'n robuuste tegniek vir die bepaling van morfologiese kenmerke soos volumefraksie, inklusie-morfologie, leemte- en kristaloriëntasies. Om mikrograwe te verkry, word optiese sowel as elektronmikroskope algemeen gebruik. Om materiaal-eienskap te bepaal, is nano-indentasie 'n kragtige tegniek vir die bepaling van eienskappe op die mikron- en submikronvlak waarvoor konvensionele toetsing nie bruikbaar is nie. Konvensionele meganiese toetse soos trektoetsing of dinamiese meganiese analise (DMA) kan slegs makroskopiese eienskappe bepaal sonder enige aanduiding van mikrostrukturele eienskappe. Nano-indentasie kan egter gebruik word vir die bepaling van plaaslike mikrostrukturele eienskappe van homogene sowel as heterogene materiale. Mikrostrukture kan ook gekenmerk word deur hoë-orde statistiese modelle te gebruik waardeur 'n stel ingewikkelde statistiese eienskappe uit die beelde onttrek word. Dan kan hierdie eienskappe gebruik word om verskeie ander stogastiese modelle te produseer.

Mikrostruktuur-generering

Mikrostruktuur-generering staan ook bekend as stogastiese mikrostruktuur-rekonstruksie. Rekenaar-gesimuleerde mikrostrukture word gegenereer om die mikrostrukturele kenmerke van werklike mikrostrukture te na te boots. Daar word na sulke mikrostrukture verwys as sintetiese mikrostrukture. Sintetiese mikrostrukture word gebruik om te ondersoek watter mikrostrukturele kenmerke belangrik is vir 'n gegewe eienskap. Om statistiese ekwivalensie tussen gegenereerde en werklike mikrostrukture te verseker, word mikrostrukture na generasie aangepas om by die statistiek van 'n werklike mikrostruktuur te pas. Sodanige prosedure maak die generering van teoreties oneindige aantalle rekenaar-gesimuleerde mikrostrukture moontlik wat statisties dieselfde is (het dieselfde statistieke) maar stogasties verskillend (het verskillende konfigurasies).

'n Rekenaar gesimuleerde mikrostruktuur van saamgestelde materiale

Invloed van porieë en samestelling

'n Porie in 'n mikrostruktuur, tensy dit vereis word, is 'n nadeel. Trouens, in byna al die materiale sal 'n porie die beginpunt wees vir die breek van die materiaal. Dit is die beginpunt vir die krake. Verder is 'n porie gewoonlik redelik moeilik om van ontslae te raak. Daardie tegnieke wat later beskryf word, behels 'n hoëtemperatuurproses. Selfs daardie prosesse kan egter soms die porie nog groter maak. Porieë met 'n groot koördinasiegetal (omring deur baie partikels) is geneig om te groei tydens die termiese proses. Dit word veroorsaak deur die termiese energie wat omgeskakel word na 'n dryfkrag vir die groei van die deeltjies wat die groei van die porie sal induseer aangesien die hoë koördinasiegetal die groei na die porie verhoed. Vir baie materiale kan daar uit hul fasediagram afgelei word dat verskeie fases gelyktydig kan bestaan. Daardie verskillende fases kan verskillende kristalstrukture toon en dus verskillende meganiese eienskappe hê.^[2] Verder vertoon hierdie verskillende fases ook 'n ander mikrostruktuur (korrelgrootte, oriëntasie).^[3] Dit kan ook sekere meganiese eienskappe verbeter aangesien kraakswenking kan voorkom, en sodoende die uiteindelike breuk verder stoot aangesien dit 'n meer kronkelende kraakpad in die growwer mikrostruktuur skep.^[4]

Verbeteringstegnieke

In sommige gevalle kan die mikrostruktuur beïnvloed word deur bloot die manier waarop die materiaal verwerk word te verander. 'n Voorbeeld is die titaanlegering TiAl6V4.^[5] Die mikrostruktuur en meganiese eienskappe daarvan word verbeter deur gebruik te maak van SLM (selektiewe lasersmelting) wat 'n 3D-druktegniek is wat poeier gebruik en die deeltjies saamsmelt met 'n hoëkrag-laser.^[6] Ander konvensionele tegnieke vir die verbetering van die mikrostruktuur is termiese prosesse.^[7] Daardie prosesse maak staat op die beginsel dat 'n toename in temperatuur die vermindering of vernietiging van porieë sal veroorsaak.^[8] Warm isostatiese persing (HIP) is 'n vervaardigingsproses wat gebruik word om die porositeit van metale te verminder en die digtheid van baie keramiekmateriale te verhoog. Dit verbeter die materiaal se meganiese eienskappe en bewerkbaarheid.^[9] Die HIP-proses stel die verlangde materiaal bloot aan 'n hoë isostatiese gasdruk, sowel as hoë temperatuur in 'n verseëlde houer. Die gas wat tydens hierdie proses gebruik word, is meestal argon. Die gas moet chemies inert wees sodat geen reaksie met die monster plaasvind nie. Die druk word bereik deur bloot hitte op die hermeties verseëlde houer toe te pas. Sommige stelsels pomp egter ook die gas om die vereiste druk te bereik. Die druk wat op die materiale toegepas word, is dieselfde in alle rigtings (vandaar die term "isostaties").^[10] Wanneer gietstukke met HIP behandel word, elimineer die gelyktydige toepassing van hitte en druk interne leemtes en mikroporositeit deur 'n kombinasie van plastiese vervorming, kruip en diffusiebinding; hierdie proses verbeter vermoeidheidheidweerstand van die komponent.^[11]

Sien ook

Abnormale korrelgroei
Kristalliet – Klein kristal wat onder sekere omstandighede vorm
Fraktografie – Studie van die breukoppervlakke van materiale
Korrelgrens – Grensvlak tussen kristalliete in 'n polikristallyne materiaal
Metallurgie – Wetenskapsgebied wat die fisiese en chemiese gedrag van metale bestudeer
Mikrografie – Proses vir die vervaardiging van foto's met 'n mikroskoop

Verwysings

↑ Adapted from ASM Metals Handbook, Ninth Edition, v. 9, "Metallography and Microstructures", American Society for Metals, Metals Park, OH, 1985, p. 12.
↑ Oberwinkler, B., Modeling the fatigue crack growth behavior of Ti-6Al-4V by considering grain size and stress ratio. Materials Science and Engineering: A 2011, 528 (18), 5983-5992.
↑ Sieniawski, J.; Ziaja, W.; Kubiak, K.; Motyka, M., Microstructure and mechanical properties of high strength two-phase titanium alloys. Titanium Alloys-Advances in Properties Control 2013, 69-80.
↑ Nalla, R.; Boyce, B.; Campbell, J.; Peters, J.; Ritchie, R., Influence of microstructure on high-cycle fatigue of Ti-6Al-4V: bimodal vs. lamellar structures. Metallurgical and Materials Transactions A 2002, 33 (13), 899-918.
↑ Henriques, V. A. R.; Campos, P. P. d.; Cairo, C. A. A.; Bressiani, J. C., Production of titanium alloys for advanced aerospace systems by powder metallurgy. Materials Research 2005, 8 (4), 443-446.
↑ Kruth, J.-P.; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M., Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid prototyping journal 2005, 11 (1), 26-36.
↑ Murr, L.; Quinones, S.; Gaytan, S.; Lopez, M.; Rodela, A.; Martinez, E.; Hernandez, D.; Martinez, E.; Medina, F.; Wicker, R., Microstructure and mechanical behavior of Ti–6Al–4V produced by rapid-layer manufacturing, for biomedical applications. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 2009, 2 (1), 20-32.
↑ Kasperovich, G.; Hausmann, J., Improvement of fatigue resistance and ductility of TiAl6V4 processed by selective laser melting. Journal of Materials Processing Technology 2015, 220, 202-214.
↑ Lin, C. Y.; Wirtz, T.; LaMarca, F.; Hollister, S. J., Structural and mechanical evaluations of a topology optimized titanium interbody fusion cage fabricated by selective laser melting process. Journal of Biomedical Materials Research Part A 2007, 83 (2), 272-279.
↑ Leuders, S.; Thöne, M.; Riemer, A.; Niendorf, T.; Tröster, T.; Richard, H.; Maier, H., On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting: Fatigue resistance and crack growth performance. International Journal of Fatigue 2013, 48, 300-307.
↑ Larker, H. T.; Larker, R., Hot isostatic pressing. Materials Science and Technology 1991.

[1] Adapted from ASM Metals Handbook, Ninth Edition, v. 9, "Metallography and Microstructures", American Society for Metals, Metals Park, OH, 1985, p. 12.

[2] Oberwinkler, B., Modeling the fatigue crack growth behavior of Ti-6Al-4V by considering grain size and stress ratio. Materials Science and Engineering: A 2011, 528 (18), 5983-5992.

[3] Sieniawski, J.; Ziaja, W.; Kubiak, K.; Motyka, M., Microstructure and mechanical properties of high strength two-phase titanium alloys. Titanium Alloys-Advances in Properties Control 2013, 69-80.

[4] Nalla, R.; Boyce, B.; Campbell, J.; Peters, J.; Ritchie, R., Influence of microstructure on high-cycle fatigue of Ti-6Al-4V: bimodal vs. lamellar structures. Metallurgical and Materials Transactions A 2002, 33 (13), 899-918.

[5] Henriques, V. A. R.; Campos, P. P. d.; Cairo, C. A. A.; Bressiani, J. C., Production of titanium alloys for advanced aerospace systems by powder metallurgy. Materials Research 2005, 8 (4), 443-446.

[6] Kruth, J.-P.; Mercelis, P.; Van Vaerenbergh, J.; Froyen, L.; Rombouts, M., Binding mechanisms in selective laser sintering and selective laser melting. Rapid prototyping journal 2005, 11 (1), 26-36.

[7] Murr, L.; Quinones, S.; Gaytan, S.; Lopez, M.; Rodela, A.; Martinez, E.; Hernandez, D.; Martinez, E.; Medina, F.; Wicker, R., Microstructure and mechanical behavior of Ti–6Al–4V produced by rapid-layer manufacturing, for biomedical applications. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 2009, 2 (1), 20-32.

[8] Kasperovich, G.; Hausmann, J., Improvement of fatigue resistance and ductility of TiAl6V4 processed by selective laser melting. Journal of Materials Processing Technology 2015, 220, 202-214.

[9] Lin, C. Y.; Wirtz, T.; LaMarca, F.; Hollister, S. J., Structural and mechanical evaluations of a topology optimized titanium interbody fusion cage fabricated by selective laser melting process. Journal of Biomedical Materials Research Part A 2007, 83 (2), 272-279.

[10] Leuders, S.; Thöne, M.; Riemer, A.; Niendorf, T.; Tröster, T.; Richard, H.; Maier, H., On the mechanical behaviour of titanium alloy TiAl6V4 manufactured by selective laser melting: Fatigue resistance and crack growth performance. International Journal of Fatigue 2013, 48, 300-307.

[11] Larker, H. T.; Larker, R., Hot isostatic pressing. Materials Science and Technology 1991.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]