โครงสร้างจุลภาค คือ โครงสร้างขนาดเล็กมากของวัสดุ ซึ่งกำหนดเป็นโครงสร้างของพื้นผิววัสดุที่เตรียมไว้ตามที่ปรากฏโดยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่มีกำลังขยายมากกว่า 25 เท่า[ ^{1 ] โครงสร้าง}จุลภาคของวัสดุ (เช่นโลหะโพลิเมอร์เซรามิกหรือวัสดุผสม ) สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น ความแข็งแรง ความเหนียวความยืดหยุ่นความแข็ง ความต้านทานการกัดกร่อน พฤติกรรมที่อุณหภูมิสูง/ต่ำ หรือความต้านทานการสึกหรอ คุณสมบัติเหล่านี้จะควบคุมการใช้งานของวัสดุเหล่านี้ในทางอุตสาหกรรม

โครงสร้างระดับจุลภาคที่เล็กกว่าระดับที่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง มักเรียกว่าโครงสร้างระดับนาโนในขณะที่โครงสร้างที่อะตอมแต่ละตัวเรียงตัวกันเรียกว่าโครงสร้างผลึก โครงสร้างระดับนาโนของตัวอย่างทางชีวภาพเรียกว่าโครงสร้าง ระดับอัลตรา

อิทธิพลของโครงสร้างจุลภาคต่อคุณสมบัติทางกลและทางกายภาพของวัสดุนั้น ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับข้อบกพร่องต่างๆ ที่มีอยู่หรือไม่มีอยู่ในโครงสร้าง ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจมีหลายรูปแบบ แต่ที่สำคัญที่สุดคือรูพรุน แม้ว่ารูพรุนจะมีบทบาทสำคัญมากในการกำหนดลักษณะของวัสดุ แต่ส่วนประกอบของวัสดุก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ในความเป็นจริง สำหรับวัสดุหลายชนิด เฟสต่างๆ สามารถอยู่ร่วมกันได้ในเวลาเดียวกัน เฟสเหล่านี้มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน และหากจัดการอย่างถูกต้อง ก็สามารถป้องกันการแตกหักของวัสดุได้

แนวคิดเรื่องโครงสร้างจุลภาคสามารถสังเกตได้จากลักษณะโครงสร้างมหภาคในวัตถุทั่วไป เหล็ก ชุบสังกะสีเช่น ปลอกเสาไฟหรือแผงกั้นถนน แสดงให้เห็นลวดลายสีที่ไม่สม่ำเสมอเป็นรูปหลายเหลี่ยมที่ประสานกัน มีเฉดสีเทาหรือเงินต่างกัน แต่ละรูปหลายเหลี่ยมคือผลึกสังกะสีเดี่ยวที่ยึดติดกับพื้นผิวเหล็กด้านล่าง สังกะสีและตะกั่วเป็นโลหะทั่วไปสองชนิดที่ก่อตัวเป็นผลึกขนาดใหญ่ (เกรน) ที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า อะตอมในแต่ละเกรนจัดเรียงตัวเป็นหนึ่งในเจ็ดรูปแบบการเรียงซ้อนสามมิติหรือโครงสร้างผลึก (ลูกบาศก์ ทรงสี่หน้า หกเหลี่ยม โมโนคลินิก ไตรคลินิก รอมโบฮีดรัล และออร์โธรอมบิก) ทิศทางการเรียงตัวของเมทริกซ์แตกต่างกันระหว่างผลึกที่อยู่ติดกัน ทำให้เกิดความแปรปรวนในการสะท้อนแสงของแต่ละด้านของเกรนที่ประสานกันบนพื้นผิวชุบสังกะสี ขนาดเกรนเฉลี่ยสามารถควบคุมได้ด้วยสภาวะการแปรรูปและองค์ประกอบ และโลหะผสมส่วนใหญ่ประกอบด้วยเกรนขนาดเล็กกว่ามากซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า นี่เป็นการเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ (ดูการเสริมความแข็งแรงแบบฮอลล์-เพทช์ )

ในการหาปริมาณลักษณะโครงสร้างจุลภาค จำเป็นต้องระบุลักษณะทั้งทางสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติของวัสดุ การประมวลผลภาพเป็นเทคนิคที่แข็งแกร่งสำหรับการกำหนดลักษณะทางสัณฐานวิทยา เช่น เศษส่วนปริมาตร^{[ 2 ]}สัณฐานวิทยาของสิ่งเจือปน^{[ 3 ]}ช่องว่าง และการวางแนวของผลึก เพื่อให้ได้ภาพจุลภาค มักใช้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลและอิเล็กตรอน ในการกำหนดคุณสมบัติของวัสดุ การทดสอบการกดแบบนาโนเป็นเทคนิคที่แข็งแกร่งสำหรับการกำหนดคุณสมบัติในระดับไมครอนและซับไมครอน ซึ่งการทดสอบแบบดั้งเดิมไม่สามารถทำได้ การทดสอบทางกลแบบดั้งเดิม เช่นการทดสอบแรงดึงหรือการวิเคราะห์ทางกลแบบไดนามิก (DMA) สามารถให้ผลลัพธ์เฉพาะคุณสมบัติระดับมหภาคเท่านั้น โดยไม่มีข้อมูลบ่งชี้ถึงคุณสมบัติโครงสร้างจุลภาค อย่างไรก็ตาม การทดสอบการกดแบบนาโนสามารถใช้ในการกำหนดคุณสมบัติโครงสร้างจุลภาคเฉพาะที่ของวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกันและไม่เป็นเนื้อเดียวกันได้^{[ 4 ]}จากนั้น คุณสมบัติเหล่านี้สามารถนำไปใช้สร้างแบบจำลองสุ่มต่างๆ ได้^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

การสร้างโครงสร้างจุลภาคยังเป็นที่รู้จักในชื่อการสร้างโครงสร้างจุลภาคแบบสุ่ม^{[ 8 ] [ 9 ]} โครงสร้างจุลภาคจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ถูกสร้างขึ้นเพื่อจำลองคุณลักษณะโครงสร้างจุลภาคของโครงสร้างจุลภาคจริง โครงสร้างจุลภาคดังกล่าวเรียกว่าโครงสร้างจุลภาคสังเคราะห์ โครงสร้างจุลภาคสังเคราะห์ใช้เพื่อตรวจสอบว่าคุณลักษณะโครงสร้างจุลภาคใดมีความสำคัญต่อคุณสมบัติที่กำหนด เพื่อให้แน่ใจว่ามีความเท่าเทียมกันทางสถิติระหว่างโครงสร้างจุลภาคที่สร้างขึ้นและโครงสร้างจุลภาคจริง โครงสร้างจุลภาคจะถูกแก้ไขหลังจากการสร้างเพื่อให้ตรงกับสถิติของโครงสร้างจุลภาคจริง ขั้นตอนนี้ทำให้สามารถสร้างโครงสร้างจุลภาคจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ได้จำนวนอนันต์ในทางทฤษฎี ซึ่งมีสถิติเหมือนกัน (มีสถิติเดียวกัน) แต่แตกต่างกันในเชิงสุ่ม (มีการกำหนดค่าที่แตกต่างกัน) ^{[ 3 ] [ 10 ]}

รูพรุนในโครงสร้างจุลภาค หากไม่ต้องการ ถือเป็นข้อเสียต่อคุณสมบัติ ในความเป็นจริง ในวัสดุเกือบทั้งหมด รูพรุนจะเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกหักของวัสดุ เป็นจุดเริ่มต้นของรอยแตก นอกจากนี้ รูพรุนมักจะกำจัดได้ยากมาก เทคนิคที่อธิบายไว้ในภายหลังเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม แม้แต่กระบวนการเหล่านั้นบางครั้งก็อาจทำให้รูพรุนใหญ่ขึ้นได้ รูพรุนที่มีเลขการประสานงาน สูง (ล้อมรอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก) มีแนวโน้มที่จะเติบโตในระหว่างกระบวนการทางความร้อน นี่เป็นเพราะพลังงานความร้อนถูกแปลงเป็นแรงขับเคลื่อนสำหรับการเติบโตของอนุภาค ซึ่งจะกระตุ้นการเติบโตของรูพรุน เนื่องจากเลขการประสานงานสูงจะยับยั้งการเติบโตไปทางรูพรุน สำหรับวัสดุหลายชนิด จะเห็นได้จากแผนภาพเฟสว่าหลายเฟสสามารถมีอยู่พร้อมกันได้ เฟสที่แตกต่างกันเหล่านี้อาจแสดงโครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงแสดงคุณสมบัติทางกลที่แตกต่างกัน^{[ 11 ]}นอกจากนี้ เฟสที่แตกต่างกันเหล่านี้ยังแสดงโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน (ขนาดเกรน การวางแนว) ^{[ 12 ]}สิ่งนี้ยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลบางอย่างได้ เนื่องจากสามารถเกิดการเบี่ยงเบนของรอยแตกได้ จึงทำให้การแตกหักขั้นสุดท้ายเกิดขึ้นได้ไกลขึ้น เนื่องจากสร้างเส้นทางรอยแตกที่คดเคี้ยวมากขึ้นในโครงสร้างจุลภาคที่หยาบกว่า^{[ 13 ]}

ในบางกรณี การเปลี่ยนวิธีการประมวลผลวัสดุเพียงอย่างเดียวก็สามารถส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคได้ ตัวอย่างเช่น โลหะผสมไทเทเนียม TiAl6V4 ^{[ 14 ]}โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลของมันได้รับการปรับปรุงโดยใช้ SLM (selective laser melting) ซึ่งเป็นเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติโดยใช้ผงและหลอมอนุภาคเข้าด้วยกันโดยใช้เลเซอร์กำลังสูง^{[ 15 ]}เทคนิคทั่วไปอื่นๆ สำหรับการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคคือกระบวนการทางความร้อน^{[ 16 ]}กระบวนการเหล่านั้นอาศัยหลักการที่ว่าการเพิ่มอุณหภูมิจะทำให้รูพรุนลดลงหรือหายไป^{[ 17 ]}การอัดขึ้นรูปด้วยความดันไอโซสแตติกสูง (HIP) เป็นกระบวนการผลิตที่ใช้เพื่อลดความพรุนของโลหะและเพิ่มความหนาแน่นของ วัสดุ เซรามิก หลายชนิด ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลและความสามารถในการทำงานของวัสดุ^{[ 18 ]} กระบวนการ HIP จะทำให้วัสดุที่ต้องการสัมผัสกับความดันก๊าซไอโซสแตติกและอุณหภูมิสูงในภาชนะปิดผนึก (ความดันสูง) ก๊าซที่ใช้ในระหว่างกระบวนการนี้ส่วนใหญ่คืออาร์กอน ก๊าซต้องเฉื่อยทางเคมีเพื่อไม่ให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างก๊าซกับตัวอย่าง ความดันเกิดขึ้นจากการใช้ความร้อนกับภาชนะที่ปิดสนิท อย่างไรก็ตาม บางระบบยังใช้การปั๊มแก๊สร่วมกับกระบวนการเพื่อให้ได้ระดับความดันที่ต้องการ ความดันที่ใช้กับวัสดุจะเท่ากันและมาจากทุกทิศทาง (จึงเรียกว่า "ไอโซสแตติก") ^{[ 19 ]}เมื่อทำการหล่อด้วย HIP การใช้ความร้อนและความดันพร้อมกันจะช่วยขจัดช่องว่างภายในและรูพรุนขนาดเล็กผ่านการรวมกันของการเสียรูปพลาสติก การคืบ และการเชื่อมประสานแบบแพร่กระจาย กระบวนการนี้ช่วยปรับปรุงความต้านทานต่อความล้าของชิ้นส่วน^{[ 20 ]}

• การเจริญเติบโตของเมล็ดที่ผิดปกติ  – ปรากฏการณ์ที่เมล็ดบางส่วนของวัสดุเจริญเติบโตเร็วกว่าเมล็ดอื่นๆ
• คริสตัลไลต์  – ผลึกขนาดเล็กที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะบางอย่าง
• การวิเคราะห์รอยแตก  – การศึกษาพื้นผิวรอยแตกของวัสดุ
• ขอบเกรน  – รอยต่อระหว่างผลึกในวัสดุผลึกหลายเหลี่ยม
• โลหะวิทยา  – สาขาวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาพฤติกรรมทางกายภาพและเคมีของโลหะ
• ไมโครกราฟ  – กระบวนการสร้างภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างจุลภาคในวิกิมีเดียคอมมอนส์