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微觀結構

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金相學用於研究金屬的微觀結構。
青顯示青銅鑄造樹枝狀結構的顯微照片。
Al-Si微觀結構

微觀結構是指在放大倍率通常大於25倍的光學顯微鏡下所觀察到的材料表面結構特徵。[1]材料的微觀結構（如金相學、聚合物、陶瓷顯微組織學（英語：Ceramography） 或複合材料的微觀結構）對其物理性能具有深遠影響，例如強度、韌性、延展性、硬度、耐腐蝕性、高低溫行為以及耐磨性。這些性能在實際工程應用中決定了材料的適用性。

當結構特徵的尺度小於光學顯微鏡的分辨極限時，稱為納米結構（英語：nanostructure）；而原子層級的排列結構則被稱為晶體結構。對於生物樣品，這類細結構通常被稱為超微結構。微觀結構對材料機械與物理性能的影響主要源於結構中各種類型的缺陷，最常見的是孔隙。儘管孔隙對材料性能有顯著影響，但材料的成分同樣關鍵。實際上，許多材料常常包含多個共存的相，這些不同的相具有各異的性質，若合理控制，有助於提升材料的綜合性能並抑制破裂的發生。

方法

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在宏觀物件上也能觀察到微觀結構的概念。例如，燈柱或道路隔離樁外殼上的鍍鋅鋼材呈現灰或銀色不同深淺的多邊形拼接。每個多邊形都是附著在鋼材表面的鋅單晶。鋅和鉛是兩種常形成肉眼可見大晶粒的金屬。每個晶粒中的原子按七種三維堆積方式之一排列，稱為晶體結構（立方、四面體、六方、單斜、三斜、菱方和正交）。相鄰晶粒的取向不同，導致鍍層表面反射率的差異。通過加工條件和成分可控制平均晶粒尺寸，大多數合金則由更小、肉眼不可見的晶粒組成，以提高材料強度（參見霍爾-佩奇強化（英語：Hall-Petch strengthening））。

微觀結構表徵

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源自愛沙尼亞庫克魯塞12–13世紀墓葬的螺旋銅管微觀結構。銅錫鉛合金絲浸塑後研磨，用Klemm II試劑蝕刻，在200×放大倍率下拍攝。

要量化微觀結構特徵，需表徵其形態和材料性能。圖像處理可確定諸如體積分數[2]、夾雜物形態、[3]孔隙分布和晶體取向。獲取顯微照片常用光學顯微鏡和電子顯微鏡。材料性能測定方面，納米壓痕是一種在微米和亞微米尺度上確定性能的有效技術，而常規測試（如拉伸試驗或動態機械分析）僅能返回宏觀性能。[4]此外，微觀結構還可通過高階統計模型表徵，從圖像中提取一系列複雜統計屬性，然後用於生成各類隨機模型。[5][6][7]

微觀結構生成

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微觀結構生成也稱隨機微觀結構重構。計算機模擬微觀結構用於複製實際微觀特徵，生成所謂的合成微觀結構。合成微觀結構用於研究哪些特徵對性能最重要。為確保統計等效性，生成後需匹配實際微觀結構統計屬性。此過程可產生無窮數量統計相同但配置不同的微觀結構樣本。[3][8]

複合材料合成微觀結構示例[9]

孔隙和成分的影響

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在微觀結構中，除非刻意設計，否則孔隙會對材料性能產生不利影響。事實上，在幾乎所有材料中，孔隙都會成為材料破裂的起始點，也是裂紋的萌生點。此外，孔隙通常很難消除。後文所述的那些工藝都涉及高溫處理，但即便如此，有時反而會使孔隙增大。配位數較高的孔隙（被更多顆粒包圍）在熱處理過程中往往會長大，這是因為熱能轉化為促進顆粒生長的驅動力，而高配位數又會抑制朝向孔隙方向的生長，從而導致孔隙擴張。對於許多材料，從其相圖可以看出，多相共存的情況十分普遍。這些相可能具有不同的晶體結構，從而表現出不同的力學性能。[10]同時，不同相的微觀結構（晶粒尺寸、取向）也各不相同。[11]這種多相結構還能提高某些力學性能，因為裂紋在不同相界面處會發生偏轉，從而在粗大的微觀結構中形成更為曲折的裂紋擴展路徑，延緩最終破壞的發生。[12]

改進技術

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在某些情況下，僅僅改變材料加工方式就能影響其微觀結構。例如鈦合金TiAl6V4[13]，通過選區雷射熔化（SLM，一種利用粉末並採用大功率雷射將顆粒熔合的三維列印技術）可顯著改善其微觀結構及力學性能。[14]其它常規的微觀結構優化技術多為熱處理工藝。[15]這些工藝基於溫度升高能夠促使孔隙縮小或消除的原理。[16]熱等靜壓（HIP）是一種用於降低金屬孔隙率並提高多種陶瓷材料緻密度的製造工藝。這一工藝可改善材料的力學性能和加工性能。[17]HIP工藝是在封閉容器內對樣品施加等靜壓氣體和高溫（高壓）環境，所用氣體通常為惰性氬氣，以避免與樣品發生化學反應。壓力可通過對密閉容器加熱來實現，也可結合氣體加壓系統共同作用。作用於材料的壓力來自各個方向且大小相等（故稱「等靜壓」）。[18]對鑄件進行 HIP 處理時，熱與壓同時作用，通過塑性變形、蠕變和擴散結合消除內部空洞和微孔，從而提高零件的抗疲勞性能。[19]

參考

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  1. ^ Adapted from ASM Metals Handbook, Ninth Edition, v. 9, "Metallography and Microstructures", American Society for Metals, Metals Park, OH, 1985, p. 12.
  2. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. Uncorrelated volume element for stochastic modeling of microstructures based on local fiber volume fraction variation. Composites Science and Technology. 2015, 117: 191–198 [2025-05-22]. doi:10.1016/j.compscitech.2015.06.010. （原始內容存檔於2022-11-19）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Sanei, Seyed Hamid Reza; Barsotti, Ercole J.; Leonhardt, David; Fertig, Ray S. Characterization, synthetic generation, and statistical equivalence of composite microstructures. Journal of Composite Materials. 2017, 51 (13): 1817–1829 [2025-05-22]. Bibcode:2017JCoMa..51.1817S. S2CID 138768783. doi:10.1177/0021998316662133. （原始內容存檔於2024-08-30）. 
  4. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. Length-scale dependence of variability in epoxy modulus extracted from composite prepreg. Polymer Testing. 2016, 50: 297–300 [2025-05-22]. doi:10.1016/j.polymertesting.2015.12.015. （原始內容存檔於2023-07-10）. 
  5. ^ Tahmasebi, Pejman. Accurate modeling and evaluation of microstructures in complex materials. Physical Review E. 2018-02-20, 97 (2): 023307. Bibcode:2018PhRvE..97b3307T. PMID 29548238. doi:10.1103/PhysRevE.97.023307. 
  6. ^ Tahmasebi, Pejman. Nanoscale and multiresolution models for shale samples. Fuel. 2018, 217: 218–225. Bibcode:2018Fuel..217..218T. doi:10.1016/j.fuel.2017.12.107 （英語）. 
  7. ^ Tahmasebi, Pejman; Sahimi, Muhammad. A stochastic multiscale algorithm for modeling complex granular materials. Granular Matter. 2018-06-29, 20 (3). ISSN 1434-5021. S2CID 85549903. doi:10.1007/s10035-018-0816-z. 
  8. ^ Tahmasebi, Pejman. Accurate modeling and evaluation of microstructures in complex materials. Physical Review E. 2018-02-20, 97 (2): 023307. Bibcode:2018PhRvE..97b3307T. ISSN 2470-0045. PMID 29548238. doi:10.1103/physreve.97.023307. 
  9. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Barsotti, Ercole J.; Leonhardt, David; Fertig, Ray S. Characterization, synthetic generation, and statistical equivalence of composite microstructures. Journal of Composite Materials. 2017, 51 (13): 1817–1829. Bibcode:2017JCoMa..51.1817S. S2CID 138768783. doi:10.1177/0021998316662133. Sanei, Seyed Hamid Reza; Barsotti, Ercole J.; Leonhardt, David; Fertig, Ray S. (2017). "Characterization, synthetic generation, and statistical equivalence of composite microstructures". Journal of Composite Materials. 51 (13): 1817–1829. Bibcode:2017JCoMa..51.1817S. doi:10.1177/0021998316662133. S2CID 138768783.
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  11. ^ 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.
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  19. ^ Larker, H. T.; Larker, R., Hot isostatic pressing. Materials Science and Technology 1991.

外部連結

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取自「https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=微观结构&oldid=87393519」