Begrebet mikrostruktur kan defineres uafhængigt af de betragtede materialer (metaller, keramik eller plast). Schatt og Worch definerer det som følger: ”Begrebet mikrostruktur betegner den samlede konformation af en partikel af stof, hvis orientering ved første tilnærmelse er homogen med hensyn til dens sammensætning og arrangementet af dens komponenter. [...] . Mikrostrukturen er kendetegnet ved fasernes form, størrelse, proportioner og struktur. "
Områderne i mikrostrukturen, kaldet krystallitter (korn, fyldstoffer eller amorfe områder ) er generelt mikroskopiske i størrelse og kan karakteriseres, både kvalitativt og kvantitativt, med et optisk mikroskop . Denne disciplin dækker forskellige områder: metallografi til metaller, keramografi til keramik og plastografi til polymerer.
Monokrystallinske og amorfe materialer udviser ingen mikrostruktur, der er synlig under et optisk mikroskop.
For faste stoffer og legeringer i metal skelnes der mellem primær mikrostruktur og sekundær mikrostruktur, skønt dette udtryk i almindeligt sprog ofte refererer til sekundær mikrostruktur.
Den primære mikrostruktur dannes ved afkøling af et smeltet krystallinsk stof . Ved størkningstemperaturen dannes krystaller omkring indre steder fordelt tilfældigt i den pastaagtige blanding. Disse krystaller vokser under afkøling, indtil deres periferier kommer i kontakt. Afhængigt af om det er afkøling af et monofasisk eller polyfasisk stof, kan krystallisering ledsages langs dendritterne af fænomener med segregering . Segregationerne kommer fra forskellen i størkningstemperatur og opløselighed af de forskellige stoffer. De isolerede krystaller afhænger af omstændighederne med størkning og deres position i det smeltede stof, viser tilfældige retninger og hindrer hinanden i deres vækst.
Den metallografi gør det muligt at visualisere heterogenitet af materialet. I støbe legeringer fremhæver det også den dendritiske struktur.
I mange tilfælde ledsages størkning af støbejern som et resultat af afkølingens heterogenitet af resterende spændinger, et fænomen kendt som selvglødning . Annealing, som enhver varmebehandling , forårsager fænomener med polymorfisme , strukturhærdning og omkrystallisation , som er oprindelsen til den sekundære mikrostruktur. Disse er altid fastfasereaktioner .
Mikrostrukturen er synlig i (makro-) strukturen i mange almindeligt anvendte materialer: for eksempel præsenterer det galvaniserede stål af lygtepæle eller motorvejsbarrierer det blotte øje et broget lærred af polygoner (grå til sølv) sammenflettet. Hver polygonal facet er en zinkkrystallit fanget på overfladen af stålet. Atomerne i hver krystallit påvirker et af syv mulige tredimensionelle arrangement (kubisk, tetraedrisk, sekskantet, monoklinisk, triklinisk, rhombohedral eller orthorhombisk), men orienteringen af disse bygninger varierer fra krystallit til tilstødende krystallit, deraf den lysende kontrast fra en facet til en anden på en galvaniseret overflade. Den gennemsnitlige kornstørrelse kan styres ved mekanisk eller varmebehandling og ved kemisk sammensætning. Desuden indeholder de fleste legeringer små krystallitter, usynlige for det blotte øje, hvilket bidrager til at øge materialets hårdhed. (Jf. Hall-Petch-effekten ) .
Et simpelt eksperiment gør det muligt at visualisere en mikrostruktur: at smelte lodde (bly-zinklegering med 35% zink) med en alkohollampe eller en Bunsen-brænder i en stålkop. Tilsætningen af kolofonium forhindrer oxidation af overfladen ( slaggen skubbes tilbage i massen). Afkøles langsomt: krystallisation og mikrostrukturdannelse er synlige for det blotte øje.
Mikrostrukturer af metalprøver udsættes for metallografi, som består i at analysere de fotos, der er taget under et optisk mikroskop . Størrelsesfordelingen af krystallitter, deres form og deres placering ved korngrænser og påvisning af urenheder gør det muligt at udlede de væsentlige selvbelastninger og de mekaniske egenskaber ved metallet.
Omvendt gør varmebehandlinger det muligt at orientere metallenes mikrostruktur (og de resulterende fysiske egenskaber) ganske præcist: sådan har austenitiske krom-nikkelstål en høj kornstørrelse, der giver dem en langstrakt struktur og en udtalt hårdhed .
I katastrofer fotograferes mikrostrukturerne systematisk, især i områder med revner.
Den kvantitative karakterisering af mikrostrukturen dækker både morfologiske og mekaniske data.
Den moderne måde at analysere morfologi er billedbehandling : det gør det muligt at kvantificere volumenfraktionerne i de forskellige faser, morfologien for indeslutningerne og endelig orienteringen af krystallitterne og hulrummene.
Mekanisk karakterisering i mikrometerskalaen udnytter oftest nanoindentationstesten ; de sædvanlige mekaniske tests: simpel trækprøvning eller dynamisk mekanisk spektrometri (DMA) giver faktisk kun makroskopiske egenskaber.
Omvendt gør faseidentifikation ved billedanalyse det muligt ved at tilskrive statistiske hårdhedsfordelinger til krystallitter i forskellige faser at simulere de mekaniske egenskaber ved mikrostrukturen.
Her er et udvalg af mikrostrukturdiagrammer:
Almindelig sag
Eutektoidlegering med krystaller af primer A
Eutektoidlegering med primære B- krystaller
Stål