미세 구조

Microstructure
야금학자는 금속의 미세구조를 연구할 수 있다.
주물 수상돌기 구조를 드러내는 청동 현미경
Al-Si 미세구조

미세구조는 재료의 초소형 구조이며, 25배 이상의 배율을 [1]가진 광학 현미경에 의해 밝혀진 재료의 준비된 표면의 구조로 정의됩니다.재료(금속, 폴리머, 세라믹 또는 복합재료 등)의 미세구조는 강도, 인성, 연성, 경도, 내식성, 고온/저온 거동 또는 내마모성과 같은 물리적 특성에 강하게 영향을 미칠 수 있습니다.이러한 특성은 산업 실무에서의 이러한 재료의 적용을 좌우합니다.

광학 현미경으로 볼 수 있는 것보다 작은 크기의 미세 구조는 종종 나노 구조라고 불리는 반면, 개별 원자가 배열되는 구조는 결정 구조라고 알려져 있습니다.생물 표본의 나노 구조를 초미세 구조라고 한다.재료의 기계적 및 물리적 특성에 대한 미세구조물의 영향은 주로 구조물의 유무에 따른 다양한 결함에 의해 좌우된다.이러한 결점은 여러 가지 형태를 취할 수 있지만, 주된 결점은 모공입니다.이러한 모공이 물질의 특징 정의에 매우 중요한 역할을 한다고 해도, 그 구성도 마찬가지입니다.실제로 많은 재료에서 동시에 다른 위상이 존재할 수 있습니다.이러한 상은 서로 다른 특성을 가지며 올바르게 관리하면 재료의 파손을 방지할 수 있습니다.

방법들

미세구조의 개념은 일반적인 객체의 거시구조적 특징에서 관찰할 수 있다.램프 포스트나 도로 칸막이의 케이스와 같은 아연도금강은 회색 또는 은색의 서로 다른 색조의 맞물린 폴리곤으로 이루어진 균일하지 않은 색상의 패치워크를 나타낸다.각 폴리곤은 아래의 강철 표면에 접착된 아연의 단결정입니다.아연과 납은 육안으로 볼 수 있는 큰 결정(알갱이)을 형성하는 두 가지 흔한 금속입니다.각 입자의 원자는 7개의 3D 적층 배열 또는 결정 격자 중 하나로 구성됩니다(입방체, 사면체, 육각형, 단사정체, 삼사정체, 마름모 및 직교정체).매트릭스의 정렬 방향은 인접한 결정마다 다르며, 이로 인해 아연도금 표면에서 연결된 입자의 각 면의 반사율이 변화합니다.평균 입자 크기는 가공 조건과 조성에 의해 제어될 수 있으며, 대부분의 합금은 육안으로 볼 수 없는 훨씬 더 작은 입자들로 구성되어 있습니다.이는 재료의 강도를 높이기 위한 것입니다(홀-페치 강화 참조).

미세구조 특성 평가

미세구조 특성을 정량화하기 위해서는 형태학적 특성과 재료적 특성이 모두 특성화되어야 한다.이미지 처리는 부피율,[2] 포함 형태학,[3] 보이드 및 결정 방향과 같은 형태학적 특징을 결정하는 강력한 기술입니다.현미경을 얻기 위해서는 광학 현미경 검사와 전자 현미경 검사가 일반적으로 사용된다.재료 특성을 결정하기 위해 나노인덴테이션은 기존 시험이 불가능한 마이크론 및 서브마이크론 수준의 특성을 측정하는 강력한 기술이다.인장시험이나 동적기계분석(DMA)과 같은 기존의 기계시험은 미시구조적 특성 표시 없이 거시적 특성만 반환할 수 있다.그러나 나노인덴테이션은 균질 재료뿐만 아니라 이종 재료의 [4]국소 미세구조 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있다.미세구조는 이미지에서 일련의 복잡한 통계속성을 추출하는 상위 통계모델을 사용하여 특징지을 수도 있다.그런 다음, 이러한 특성은 다양한 다른 확률적 [5][6][7]모델을 생성하는 데 사용될 수 있다.

미세구조 생성

실제 미세구조의 미세구조를 복제하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션 미세구조를 생성한다.이러한 미세 구조를 합성 미세 구조라고 합니다.합성 미세구조는 주어진 특성에 어떤 미세구조적 특징이 중요한지를 조사하기 위해 사용된다.생성된 미세구조와 실제 미세구조 간의 통계적 동등성을 보장하기 위해 생성 후 실제 미세구조 통계와 일치하도록 미세구조를 수정한다.이러한 절차를 통해 통계적으로 동일하지만([3][8]통계가 동일하지만) 확률적으로 다른(구성이 다른) 이론적으로 무한한 수의 컴퓨터 시뮬레이션 미세구조를 생성할 수 있다.

복합[3] 재료의 컴퓨터 시뮬레이션 미세 구조

모공 및 조성의 영향

원하지 않는 한 미세 구조의 기공은 성질에 단점이 됩니다.사실 거의 모든 재료에서 모공이 재료 파열의 시작점이 될 것입니다.여기가 균열의 시작점입니다.게다가, 모공은 보통 제거하기가 꽤 어렵다.나중에 설명하는 기술은 고온 프로세스를 수반합니다.그러나 이러한 과정들조차도 때때로 모공을 더 크게 만들 수 있다.(많은 입자로 둘러싸인) 배위수가 큰 모공은 열처리 중에 커지는 경향이 있습니다.이는 열 에너지가 입자 성장의 원동력으로 전환되어 높은 배위수 때문에 모공을 향해 성장하지 못하기 때문에 모공의 성장을 유도하기 때문입니다.많은 재료의 경우 위상도를 통해 여러 위상이 동시에 존재할 수 있음을 알 수 있습니다.이러한 상은 다른 결정 구조를 나타내므로 다른 기계적 특성을 나타낼 [9]수 있습니다.게다가 이러한 상은, 다른 미세 구조(입자 크기,[10] 방향)를 나타내기도 합니다.또한 균열 처짐이 발생할 수 있기 때문에 기계적 특성을 개선할 수 있으며, 따라서 보다 거친 [11]미세구조에서 보다 꼬불꼬불한 균열 경로를 생성하기 때문에 궁극적인 파괴를 더욱 추진할 수 있습니다.

개선 방법

경우에 따라서는 재료 가공 방법을 변경하는 것만으로 미세 구조에 영향을 줄 수 있습니다.예를 들어 티타늄 합금 TiAl6V4가 [12]있습니다.분말을 이용한 3D 프린팅 기술인 SLM(선택적 레이저 용해)과 고출력 [13]레이저로 입자를 함께 녹여 미세구조와 기계적 특성을 강화했다.미세구조를 개선하기 위한 다른 전통적인 기술은 열처리이다.[14]이러한 과정은 온도 상승이 [15]모공의 감소 또는 전멸을 유발한다는 원리에 의존합니다.열간 등정압 프레스(HIP)는 금속의 다공성을 줄이고 많은 세라믹 재료의 밀도를 높이기 위해 사용되는 제조 공정입니다.이를 통해 재료의 기계적 특성과 [16]작업성이 향상됩니다.HIP 프로세스는 밀폐된 용기(고압)에서 원하는 물질을 등압 가스 압력과 고온에 노출시킵니다.이 과정에서 사용되는 가스는 대부분 아르곤입니다.가스는 화학적으로 불활성화되어야만 시료 사이에 반응이 일어나지 않습니다.압력은 밀폐된 용기에 열을 가하는 것만으로 얻을 수 있습니다.그러나 일부 시스템에서는 가스 펌핑을 공정에 연결하여 필요한 압력 수준을 달성하기도 합니다.재료에 가해지는 압력은 동일하며 모든 방향에서 발생한다(따라서 "등압"[17]이라는 용어).주물을 HIP로 처리할 때 열과 압력을 동시에 가하면 소성 변형, 크리프 및 확산 접합을 통해 내부 공극과 미세공극이 제거됩니다. 이 프로세스는 구성 [18]요소의 피로 저항성을 향상시킵니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ ASM Metals Handbook, 제9판, v. 9, "Metallography and Microstructures", 미국 금속학회, 금속학회, OH, 1985, 페이지 12에서 개작.
  2. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. (2015). "Uncorrelated volume element for stochastic modeling of microstructures based on local fiber volume fraction variation". Composites Science and Technology. 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). "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.
  4. ^ Sanei, Seyed Hamid Reza; Fertig, Ray S. (2016). "Length-scale dependence of variability in epoxy modulus extracted from composite prepreg". Polymer Testing. 50: 297–300. doi:10.1016/j.polymertesting.2015.12.015.
  5. ^ Tahmasebi, Pejman (2018-02-20). "Accurate modeling and evaluation of microstructures in complex materials". Physical Review E. 97 (2): 023307. Bibcode:2018PhRvE..97b3307T. doi:10.1103/PhysRevE.97.023307. PMID 29548238.
  6. ^ Tahmasebi, Pejman (2018). "Nanoscale and multiresolution models for shale samples". Fuel. 217: 218–225. doi:10.1016/j.fuel.2017.12.107.
  7. ^ Tahmasebi, Pejman; Sahimi, Muhammad (2018-06-29). "A stochastic multiscale algorithm for modeling complex granular materials". Granular Matter. 20 (3). doi:10.1007/s10035-018-0816-z. ISSN 1434-5021. S2CID 85549903.
  8. ^ Tahmasebi, Pejman (2018-02-20). "Accurate modeling and evaluation of microstructures in complex materials". Physical Review E. 97 (2): 023307. Bibcode:2018PhRvE..97b3307T. doi:10.1103/physreve.97.023307. ISSN 2470-0045. PMID 29548238.
  9. ^ Oberwinkler, B. 입자 크기와 응력비를 고려한 Ti-6Al-4V의 피로 균열 성장 거동 모델링재료 과학 및 엔지니어링:A 2011, 528 (18), 5983-5992.
  10. ^ Sieniawski, J.; Ziaja, W.; K., K.; Motyka, M., 미세구조 및 고강도 2상 티타늄 합금의 기계적 특성.티타늄 합금-특성 관리 2013, 69-80.
  11. ^ Nalla, R.; Boyce, J.; Campbell, J.; Peters, J.; Ritchie, R., 미세구조가 Ti-6Al-4V의 고사이클 피로에 미치는 영향: 쌍모달 대 층 구조.야금 및 재료 거래 A 2002, 33(13), 899-918.
  12. ^ Henriques, V. A. R., Campos, P. P. d., 카이로, C. A. A. A., Bressiani, J. C., 분말 야금법에 의한 첨단 항공우주 시스템용 티타늄 합금 생산.재료조사 2005, 8(4), 443-446.
  13. ^ Kruth, J.-P., Mercelis, P., Van Vaerenbergh, J., Froyen, L., Rombouts, M., 선택적 레이저 소결 및 선택적 레이저 용해에서의 결합 메커니즘.급속 프로토타이핑 저널 2005, 11(1), 26-36.
  14. ^ Murr, L.; Quinones, S.; Gaytan, S.; Lopez, M.; Rodela, A.; Martinez, E.; Hernandez, D.; M.; Medina, F.; Wicker, R., 미세구조 및 R.의 기계적 거동 Rapid-6-4.에 의해 생산되었다.바이오메디컬 재료의 기계적 거동에 관한 저널 2009, 2(1), 20-32.
  15. ^ Kasperovich, G.; Hausmann, J., 선택적 레이저 용해로 처리된 TiAl6V4의 피로 저항성 및 연성 개선.재료 가공 기술 저널 2015, 220, 202-214.
  16. ^ Lin, C. Y.; Wirtz, T.; LaMarca, F.; Hollister, S. J., 선택적 레이저 용해 프로세스에 의해 제작된 토폴로지에 최적화된 티타늄 체간 융합 케이지의 구조 및 기계적 평가.생물의학재료연구 저널 A 2007, 83(2), 272-279.
  17. ^ Leuders, S.; Thöne, M.; Riemer, A.; Niendorf, T.; Tröster, T.; Richard, H.; Maier, H., 선택적 레이저 용해로 제조된 티타늄 합금 Tial6V4의 기계적 거동에 대하여:내피로성과 균열성장성능국제 피로 저널 2013, 48, 300-307.
  18. ^ 라커, H.T., 라커, R. 핫 등정압 프레스1991년 재료 과학 및 기술.

외부 링크