البنية المجهرية

البنية المجهرية هي البنية الدقيقة للغاية للمادة، وتُعرَّف بأنها بنية سطح المادة المُجهَّز كما تظهر تحت المجهر الضوئي بتكبير يزيد عن 25 ضعفًا . ^{[ 1 ]} يمكن أن تؤثر البنية المجهرية للمادة (مثل المعادن ، والبوليمرات ، والسيراميك ، والمواد المركبة ) تأثيرًا كبيرًا على خصائصها الفيزيائية، كالمتانة، والصلابة ، والليونة، ومقاومة التآكل، وسلوكها في درجات الحرارة العالية والمنخفضة، ومقاومتها للتآكل. وتتحكم هذه الخصائص بدورها في استخدام هذه المواد في التطبيقات الصناعية.

يُطلق على البنية المجهرية التي لا يمكن رؤيتها بالمجاهر الضوئية اسم البنية النانوية ، بينما تُعرف البنية التي تترتب فيها الذرات الفردية بالبنية البلورية . أما البنية النانوية للعينات البيولوجية فتُسمى البنية الفائقة .

يتأثر الخواص الميكانيكية والفيزيائية للمادة بشكل أساسي بالعيوب الموجودة أو غير الموجودة في بنيتها. تتخذ هذه العيوب أشكالًا عديدة، لكن المسامات هي أبرزها. ورغم أهمية هذه المسامات في تحديد خصائص المادة، فإن تركيبها لا يقل أهمية. في الواقع، قد تتواجد أطوار مختلفة في العديد من المواد في آن واحد. تتميز هذه الأطوار بخصائص متباينة، وإذا ما تم التحكم بها بشكل صحيح، فإنها تمنع تكسر المادة.

يُمكن ملاحظة مفهوم البنية المجهرية في السمات البنيوية الكلية للأشياء الشائعة. فالفولاذ المجلفن ، كغلاف عمود الإنارة أو فاصل الطريق، يُظهر نسيجًا غير متجانس الألوان من مضلعات متشابكة بدرجات مختلفة من الرمادي أو الفضي. كل مضلع عبارة عن بلورة واحدة من الزنك ملتصقة بسطح الفولاذ الموجود أسفلها. يُعد الزنك والرصاص من المعادن الشائعة التي تُشكّل بلورات كبيرة (حبيبات) مرئية بالعين المجردة. تنتظم الذرات في كل حبة في واحد من سبعة ترتيبات تكديس ثلاثية الأبعاد أو شبكات بلورية (مكعب، رباعي الأوجه، سداسي، أحادي الميل، ثلاثي الميل، معيني الأوجه، ومعيني قائم). يختلف اتجاه محاذاة المصفوفات بين البلورات المتجاورة، مما يؤدي إلى تباين في انعكاسية كل وجه من أوجه الحبيبات المتشابكة على السطح المجلفن. يُمكن التحكم في متوسط ​​حجم الحبيبات من خلال ظروف المعالجة والتركيب، وتتكون معظم السبائك من حبيبات أصغر بكثير لا تُرى بالعين المجردة. هذا لزيادة قوة المادة (انظر تقوية هال-بيتتش ).

لتقييم الخصائص الميكروية كميًا، يجب تحديد كل من الخصائص المورفولوجية وخصائص المادة. تُعد معالجة الصور تقنية فعالة لتحديد الخصائص المورفولوجية مثل نسبة الحجم، ^{[ 2 ]} وشكل الشوائب، ^{[ 3 ]} واتجاهات الفراغات والبلورات. وللحصول على صور مجهرية، يُستخدم المجهر الضوئي والإلكتروني بشكل شائع. أما لتحديد خصائص المادة، فإن تقنية النانو-انضغاط تُعد تقنية فعالة لتحديد الخصائص على مستوى الميكرون وما دونه، والتي لا تُناسبها الاختبارات التقليدية. لا تُوفر الاختبارات الميكانيكية التقليدية، مثل اختبار الشد أو التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA)، سوى الخصائص الكلية دون أي مؤشر على الخصائص الميكروية. ومع ذلك، يُمكن استخدام تقنية النانو-انضغاط لتحديد الخصائص الميكروية المحلية للمواد المتجانسة وغير المتجانسة. ^{[ 4 ]} بعد ذلك، يُمكن استخدام هذه الخصائص لإنتاج نماذج عشوائية أخرى متنوعة. ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

يُعرف توليد البنية المجهرية أيضًا باسم إعادة بناء البنية المجهرية العشوائية. ^{[ 8 ] [ 9 ]} تُولّد البنى المجهرية المحاكاة حاسوبيًا لمحاكاة خصائص البنية المجهرية للبنى المجهرية الحقيقية. تُسمى هذه البنى المجهرية بالبنى المجهرية الاصطناعية. تُستخدم البنى المجهرية الاصطناعية لدراسة خصائص البنية المجهرية المهمة لخاصية معينة. ولضمان التكافؤ الإحصائي بين البنى المجهرية المولدة والحقيقية، تُعدّل البنى المجهرية بعد توليدها لتتوافق مع إحصائيات البنية المجهرية الحقيقية. يُمكّن هذا الإجراء من توليد عدد لا نهائي نظريًا من البنى المجهرية المحاكاة حاسوبيًا المتطابقة إحصائيًا (ذات الإحصائيات نفسها) ولكنها مختلفة عشوائيًا (ذات التكوينات المختلفة). ^{[ 3 ] [ 10 ]}

تُعدّ المسامات في البنية المجهرية، ما لم تكن مرغوبة، عيبًا يؤثر على خصائص المادة. في الواقع، في معظم المواد، تُشكّل المسامات نقطة انطلاق لتمزق المادة، فهي نقطة بدء التشققات. علاوة على ذلك، يصعب عادةً التخلص من المسامات، وتتطلب التقنيات المذكورة لاحقًا عمليات ذات درجات حرارة عالية. مع ذلك، قد تؤدي هذه العمليات أحيانًا إلى زيادة حجم المسامات. تميل المسامات ذات عدد التناسق الكبير (المحاطة بالعديد من الجسيمات) إلى النمو أثناء المعالجة الحرارية. ويعود ذلك إلى تحوّل الطاقة الحرارية إلى قوة دافعة لنمو الجسيمات، مما يُحفّز نمو المسامات، حيث يمنع عدد التناسق الكبير نمو الجسيمات باتجاه المسامات. بالنسبة للعديد من المواد، يُمكن ملاحظة من مخطط الطور الخاص بها وجود أطوار متعددة في الوقت نفسه. قد تُظهر هذه الأطوار المختلفة بنية بلورية مختلفة، وبالتالي خصائص ميكانيكية مختلفة. ^{[ 11 ]} إضافةً إلى ذلك، تُظهر هذه الأطوار المختلفة أيضًا بنية مجهرية مختلفة (حجم الحبيبات، والاتجاه). ^{[ 12 ]} يمكن أن يؤدي ذلك أيضًا إلى تحسين بعض الخصائص الميكانيكية حيث يمكن أن يحدث انحراف في الشقوق، مما يدفع الانهيار النهائي إلى أبعد من ذلك لأنه يخلق مسارًا أكثر تعرجًا للشقوق في البنية المجهرية الخشنة. ^{[ 13 ]}

في بعض الحالات، يُمكن أن يُؤثر تغيير طريقة معالجة المادة على بنيتها المجهرية. ومن الأمثلة على ذلك سبيكة التيتانيوم TiAl6V4. ^{[ 14 ]} تُحسّن بنيتها المجهرية وخواصها الميكانيكية باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد SLM (الصهر الانتقائي بالليزر)، وهي تقنية تستخدم مسحوقًا وتصهر جزيئاته معًا باستخدام ليزر عالي الطاقة. ^{[ 15 ]} ومن التقنيات التقليدية الأخرى لتحسين البنية المجهرية العمليات الحرارية. ^{[ 16 ]} وتعتمد هذه العمليات على مبدأ أن ارتفاع درجة الحرارة يُؤدي إلى تقليل المسام أو إزالتها. ^{[ 17 ]} أما الضغط المتساوي الساخن (HIP) فهو عملية تصنيع تُستخدم لتقليل مسامية المعادن وزيادة كثافة العديد من المواد الخزفية ، مما يُحسّن الخواص الميكانيكية للمادة وقابليتها للتشكيل. ^{[ 18 ]} وتُعرّض عملية الضغط المتساوي الساخن المادة المطلوبة لضغط غاز متساوي ودرجة حرارة عالية في وعاء مُحكم الإغلاق (ضغط عالٍ). والغاز المُستخدم في هذه العملية هو الأرجون في الغالب، ويجب أن يكون خاملًا كيميائيًا حتى لا يحدث أي تفاعل بينه وبين العينة. يُحقق الضغط المطلوب ببساطة عن طريق تسخين الوعاء المحكم الإغلاق. مع ذلك، تستخدم بعض الأنظمة ضخ الغاز لتحقيق مستوى الضغط المطلوب. يكون الضغط المُطبق على المواد متساويًا ومن جميع الاتجاهات (ومن هنا جاء مصطلح "الضغط المتساوي"). ^{[ 19 ]} عند معالجة المسبوكات بتقنية الضغط المتساوي الساخن (HIP)، يُزيل التطبيق المتزامن للحرارة والضغط الفراغات الداخلية والمسامية الدقيقة من خلال مزيج من التشوه اللدن والزحف والترابط الانتشارى؛ تُحسّن هذه العملية مقاومة المكون للإجهاد. ^{[ 20 ]}

• نمو غير طبيعي للحبوب – ظاهرة نمو بعض حبوب المواد بشكل أسرع من غيرها 
• البلورة الصغيرة – بلورة صغيرة تتشكل في ظل ظروف معينة 
• علم دراسة أسطح الكسر – دراسة أسطح كسر المواد 
• حدود الحبيبات – السطح الفاصل بين البلورات في مادة متعددة البلورات 
• علم المعادن – مجال علمي يدرس السلوك الفيزيائي والكيميائي للمعادن 
• المجهرية - عملية إنتاج الصور باستخدام المجهر 

• الوسائط المتعلقة بالبنية المجهرية على ويكيميديا ​​كومنز