微觀組織
關注創建者：蘇菲英 創建時間：2017-02-10
微觀組織的視頻教程
基于Huang的晶體塑性有限元程序入門-2-微觀組織模型建立簡介
再次申明，該方法建立的晶粒微觀組織較為簡單，但可能有助于你對后續材料屬性賦予的理解、腳本的編寫有較大幫助。 希望該視頻對大家學習有幫助！
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微觀組織的實例教程
精沖用碳鋼常見的三類微觀組織如圖1所示，包括球化退火組織、含碳化物帶的組織和未退火含珠光體的組織。在后文的建模過程中，統一將碳化物簡化為滲碳體，而不再考慮其他碳化物的影響。
圖1 精沖用鋼C15E
基于精沖鋼微觀組織的多尺度模擬
通過數值模擬研究不同微觀組織特征對材料性能的影響是目前精沖成形研究的一大熱點，越來越多的模擬研究傾向于將宏觀有限元模型和微觀組織模型（如代表體積元RVE模型)結合，以對實際宏觀成形過程中的特征變形區域構建局部的微觀組織模擬。
宏微觀建模
根據精沖試驗中模具的實際尺寸在ABAQUS/Explicit中建立二維宏觀有限元模型，如圖2a所示，以獲得關鍵區域的變形情況。精沖變形主要集中在間隙處的剪切區域，因此對該區域進行網格加密處理。此外，對剪切區域除中心一層單元以外的單元運用ALE自適應網格的方法，防止網格畸變。中心區域的一層單元將以正常的拉格朗日模式變形，有限元軟件記錄單元節點的位移變化。
圖2 多尺度精沖有限元模型
RVE建模方法有兩種：一種是利用軟件生成理想化退火態的球形碳化物顆粒—鐵素體基體RVE模型，另一種是基于真實的金相組織建立珠光體—鐵素體RVE模型，如圖2b所示。
微觀組織建模
⑴理想化退火態微觀組織RVE模型。
上文提及的兩種RVE模型建模方法，同樣適用于純微觀模擬研究，區別僅在于模型的邊界條件。若對RVE模型施加拉伸或剪切邊界條件，可分析材料不同的微觀組織對拉伸或剪切性能的影響。在冷軋鋼的退火態微觀組織中，滲碳體近似于球狀顆粒，或隨機或以碳化物帶的形式分布在鐵素體基體中。因此建立的二維RVE模型將滲碳體等效為圓形的第二相顆粒，利用軟件直接生成不同直徑、不同體積分數或不同分布狀態的球狀顆粒。在純微觀模擬研究中，考慮到球狀滲碳體的實際尺寸，將RVE模型整體尺寸設為20μm×20μm。
展開 很多文獻認為球鐵件表面微觀組織球化衰退成片狀石墨或蠕蟲狀石墨主要是由于苯磺酸受熱氣化進入熔融金屬表面消耗表面層內殘留有效Mg引起的，但均沒有明確說明Mg的存在形式，有待于深入研究。本文的目的是對苯磺酸硬化呋喃樹脂砂生產的球墨鑄鐵件表面球化衰退的微觀組織特征及防止措施進行研究，并對球墨鑄鐵件表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結構進行了分析，給出切實可行的表面球化衰退的防止措施。
1、試樣方法
選用車間生產橋殼及減速器殼球鐵鑄件用牌號QT450-10，其化學成分(質量分數)為：3.7%-3.9%C、2.6%-2.9%Si、0.2-0.35%Mn、0.1-0.2%Cu、≤0.06%P、≤0.02%S、0.04%-0.06%Mg、0.025%-0.04%RE。試驗合金用中頻感應電爐熔煉，出爐溫度為1480-1520℃，澆注溫度為1360-1420℃。
呋喃樹脂砂的粘結劑用呋喃樹脂，固化劑用對甲苯磺酸，原砂及再生砂采用不同比例。
試驗金相試樣切成10mm×10mm×20mm，通過光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、能譜分析（EDS）、電子探針（EPMA）及透射（TEM）等對試樣表面的顯微組織、成分分布進行分析。
車間正常生產工藝生產試樣及粘土砂型生產試樣的微觀組織如圖1及圖2。圖1是采用車間正常生產工藝生產球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實驗結果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內，能譜分析認為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
展開 1什么是微觀組織結構(Microstructure) ？
當我們描述金屬的結構時，我們應該區別其晶體結構(Crystal Structure)和微觀組織結構(Microstructure)。晶體結構主要用來表示一個晶胞(Unite cell)內原子的平均位置，它由晶格類型和原子的分數坐標（例如，通過X射線衍射確定）確定。換句話說，晶體結構主要用來在原子尺度描述材料的形貌。相比之下，微觀組織結構是在微米—厘米尺度范圍內描述材料的形貌特征。微觀組織結構的一個合理的定義是：“材料內部相(Phase)和缺陷(Defect)的排布。”
微觀組織結構的觀察可以采用一系列的顯微鏡進行。在不同尺度下觀察一個特定的材料的微觀組織結構特征時通常會發現差異很大。基于這一原因，在描述材料的微觀結構時，最重要的是首先確定觀察的尺度范圍。如果尺度范圍選擇不當，就很難得到你想要的結果，也不利于你對材料某些特性的理解和分析。材料微觀組織結構的產生和觀察是一門非常重要的知識，需要認真理解和領會。
隕石的微觀組織結構?
這里需要著重指出，材料的微觀組織結構影響材料的物理特性和行為。我可以通過控制材料的微觀組織結構達到設計材料性能的目的。天然礦物結構可以提供其復雜的歷史信息。微觀組織結構學是所有材料和礦物科學的組成部分。
2還能答出這些微觀組織結構有關的問題嗎 ？
知道“微觀組織結構(Microstructure)”“相(Phase)”“組分(Component)”“缺陷(Defect)”的定義嗎？
鋼的微觀組織結構
您知道如何觀察材料的微觀組織結構嗎？光學顯微鏡的放大倍數和成像原理？普通掃描電子顯微鏡放大倍數和成像原理？
展開 圖1是采用車間正常生產工藝生產球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實驗結果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內，能譜分析認為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
基于前期的研究，苯磺酸受熱氣化進入熔融金屬表面消耗表面層內殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。
b.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結構特征分析
圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。
圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經過標定，該第二相粒子為FCC結構，a≈5.18A。對比標準的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數，并且結合能譜的結果，可知第二相為MgS或(Mg，Mn)xSy粒子。
展開 圖1是采用車間正常生產工藝生產球鐵試樣表面球化衰退層微觀組織，圖2是使用粘土砂型生產的球鐵試樣表面球化層微觀組織。
2、實驗結果和討論
2.1表面球化衰退的微觀組織特征分析
a.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子形成分析
圖3是表面球化衰退層片狀石墨區背散射，從圖3中可以清楚看到球化衰退層內有很多球狀粒子存在，粒子尺寸在1-5μm的范圍內，能譜分析認為這些粒子可能是Mg與S或O形成的。
基于前期的研究，苯磺酸受熱氣化進入熔融金屬表面消耗表面層內殘留有效Mg引起球鐵件表面球化衰退，消耗的殘留有效Mg可能與S或O形成了第二相粒子，并且第二相粒子存在于表面球化衰退層微觀組織中（如圖3所示）。
b.表面球化衰退層微觀組織中的第二相粒子結構特征分析
圖4是第二相粒子TEM形貌圖片，從圖中可以清晰看出第二相粒子呈近球形八面體形貌。
圖5是第二相粒子TEM衍射圖譜，經過標定，該第二相粒子為FCC結構，a≈5.18A。對比標準的MgS、MgO、MnS、MnO單胞參數，并且結合能譜的結果，可知第二相為MgS或(Mg，Mn)xSy粒子。
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2.微觀組織變化：淬火使齒面微觀組織轉變，比容改變，引起尺寸微動，影響嚙合精度。
二、關乎齒輪傳動性能
1.平穩性受擾：間隙不當破壞傳動平穩。過小致摩擦增大、振動噪聲加劇及磨損加快；過大則產生沖擊，降傳動精度。重配間隙可保平穩，減振動沖擊。
2.承載能力受損：過小間隙使齒面應力不均、承載降低，易致失效。
這個議題直接下沉到了微觀組織（晶格、相界面）的擴散模擬。
趨勢：宏觀設備仿真+微觀材料第一性原理計算的結合，這種多尺度耦合建模在能源行業（特別是氫能）越來越重要了？
【一點感想】
看完這些議題，感覺現在仿真技術的要求越來越綜合了：
1.多物理場、多尺度耦合是標配。
2.AI與仿真的結合（比如用AI加速計算、代理模型）正在成為解決復雜大系統問題的關鍵。
中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司 張善亮先生
以《山溪型河道拱橋阻水關鍵參數的仿真計算分析》為題作報告
水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院 高昂博士
以《塔式進水口復雜水動力特性三維數值模擬研究》為題作報告
上海交通大學 羅婧博士
以《SLM成形Al-Mg-Si合金的微觀組織形成機理
結合電子背散射衍射（EBSD）實驗與耦合熱–力的多晶相場模擬，揭示電鍍 TXV-Cu 在退火過程中的晶粒演化行為及其對可靠性的影響;基于相場方法的退火晶粒演化模型，將溫度依賴的界面遷移率、界面能及熱膨脹效應納入描述框架，從而在數值模擬中再現 TXV-Cu 的微觀組織演變過程。
在先進封裝如BGA、WLCSP、SiP與3D集成中，焊點長期經受芯片功耗發熱與外部環境溫差的交替作用，其微觀組織不斷經歷熱脹冷縮和蠕變松弛。由于芯片（Si）、基板（BT/FR-4/陶瓷）與焊料（SnAgCu）之間存在顯著熱膨脹系數差異，反復的熱應力和剪切應力會在焊點頸部和角部區域集中，促使疲勞裂紋逐步萌生并向內部擴展，最終導致虛焊或開路等失效形式。
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</div><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-center">圖3增材制造的微觀組織演化預測
每一個晶粒采用一個材料屬性，每一種材料有兩個力學常數，第一個力學常數代表需要使用的均勻化法則，第二個力學常數代表需要使用的微觀組織。
首先，從材料特性來看，其抗疲勞能力與材料的微觀組織結構密切相關，材料內部存在的缺陷或成分分布的不均勻性也會顯著降低其疲勞壽命。其次，應力條件亦為關鍵因素，其中應力幅值、應力均值以及所施加載荷的變化模式(即載荷譜)均會直接影響疲勞裂紋的萌生與擴展過程。此外，結構的幾何特征也對疲勞行為產生重要作用，尤其在存在幾何不連續或表面缺陷的部位，更容易引發應力集中，進而加速疲勞損傷的積累。
通過對凝固微觀組織和材料性能的深入研究，了解M3DPen過程中不同參數對材料性能的影響。
4. 比較M3DPen和其他金屬AM技術之間的差異和優缺點，以確定最適合特定應用場景的技術。
微觀組織分析
以EBSD對SLM制造的單相BCC晶體結構的元素Nb樣品的微觀結構進行表征。結果顯示，樣品中存在典型的柱狀晶，在平行于BD方向的平面上，柱狀晶的尺寸達到30×500μm，在垂直于BD方向的平面上，等效圓直徑小于120μm，平均值為41μm。
