微观结构

微观结构是材料的极小尺度结构，定义为材料制备表面的结构，如放大25倍以上的光学显微镜所显示的。材料（如金属、聚合物、陶瓷或复合材料）的微观结构可以强烈影响物理性能，如强度、韧性、延展性、硬度、耐腐蚀性、高/低温行为或耐磨性。这些特性反过来决定了这些材料在工业实践中的应用。

比光学显微镜所能观察到的尺度更小的微观结构通常被称为纳米结构，而单个原子排列的结构被称为晶体结构。生物标本的纳米结构称为超微结构.微观结构对材料机械和物理性能的影响主要取决于结构存在或不存在的不同缺陷。这些缺陷可以有多种形式，但主要是孔隙。即使这些孔隙在材料特性的定义中起着非常重要的作用，它的成分也是如此。事实上，对于许多材料来说，不同的相可以同时存在。这些相具有不同的特性，如果管理得当，可以防止材料断裂。

在普通物体的宏观结构特征中可以观察到微观结构的概念。镀锌钢，例如灯柱或道路分隔线的外壳，呈现出不同深浅不一的灰色或银色互锁多边形拼凑而成的不均匀颜色。每个多边形都是附着在下方钢表面的单晶锌。锌和铅是两种常见的金属，它们形成肉眼可见的大晶体（晶粒）。每个晶粒中的原子被组织成七个3d堆叠排列或晶格之一（立方、四面体、六方、单斜、三斜、菱形和斜方）。相邻晶体的矩阵排列方向不同，导致镀锌表面上互锁晶粒的每个呈现面的反射率不同。平均晶粒尺寸可以通过加工条件和成分控制，大多数合金由肉眼不可见的小得多的晶粒组成。这是为了增加材料的强度（参见Hall-Petch强化）。

为了量化微观结构特征，必须表征形态和材料特性。图像处理是确定体积分数等形态特征的强大技术，夹杂物形态，空洞和晶体方向。为了获得显微照片，通常使用光学显微镜和电子显微镜。为了确定材料特性，纳米压痕是一种可靠的技术，可用于确定传统测试不可行的微米和亚微米级别的特性。传统的机械测试，如拉伸测试或动态机械分析(DMA)只能返回宏观特性，而没有任何微观结构特性的迹象。然而，纳米压痕可用于确定均质和异质材料的局部微观结构特性。微观结构也可以使用高阶统计模型来表征，通过该模型从图像中提取一组复杂的统计特性。然后，这些属性可用于生成各种其他随机模型。

生成计算机模拟的微观结构以复制实际微观结构的微观结构特征。这种微结构被称为合成微结构。合成微结构用于研究哪些微结构特征对于给定的性能是重要的。为确保生成的微观结构和实际微观结构之间的统计等效性，在生成后修改微观结构以匹配实际微观结构的统计数据。这种程序能够生成理论上无限数量的计算机模拟微观结构，这些微观结构在统计上是相同的（具有相同的统计数据）但随机不同（具有不同的配置）。

除非需要，否则微观结构中的孔对性能来说是不利的。事实上，在几乎所有的材料中，孔隙都会是材料破裂的起点。它是裂纹的起始点。此外，毛孔通常很难去除。

稍后描述的那些技术涉及高温工艺。然而，即使是这些过程有时也会使毛孔变得更大。具有大配位数（被许多粒子包围）的孔在热过程中趋于增长。这是由于热能被转化为颗粒生长的驱动力，这将导致孔的生长，因为高配位数阻止了向孔的生长。对于许多材料，从它们的相图中可以看出，多个相可以同时存在。这些不同的相可能表现出不同的晶体结构，从而表现出不同的机械性能。此外，这些不同的相也表现出不同的微观结构（晶粒尺寸、取向）。这也可以改善一些机械性能，因为可能会发生裂纹偏转，从而进一步推动最终破坏，因为它会在较粗的微观结构中产生更曲折的裂纹路径。

在某些情况下，简单地改变材料的加工方式就会影响微观结构。一个例子是钛合金TiAl6V4。使用SLM（选择性激光熔化）增强其微观结构和机械性能，这是一种使用粉末的3D打印技术，并使用高功率激光将颗粒熔化在一起。用于改善微观结构的其他常规技术是热处理。这些过程依赖于温度升高会导致孔隙减少或消失的原理。热等静压(HIP)是一种制造工艺，用于减少金属的孔隙率并增加许多陶瓷的密度材料。这提高了材料的机械性能和可加工性。HIP工艺将所需材料暴露于等静压气体压力以及密封容器中的高温（高压）。在此过程中使用的气体主要是氩气。气体必须是化学惰性的，以便它与样品之间不发生反应。压力是通过简单地向密封容器加热来实现的。然而，一些系统还将气体泵送与过程相关联，以达到所需的压力水平。施加在材料上的压力是相等的，并且来自各个方向（因此称为“等静压”）。对铸件进行HIP处理时，同时施加热量和压力，通过塑性变形、蠕变和扩散结合的组合消除内部空隙和微孔；该工艺提高了部件的抗疲劳性。