从亚微米尺度看先进战机！北科大这项成果就是“尺”！

习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调，加强基础研究，是实现高水平科技自立自强的迫切要求，是建设世界科技强国的必由之路。过去十年，我国基础研究投入持续增加，在基础研究方面的成就支撑了国家科技创新发展，走出了一条人才强、科技强的前进道路。持续推动基础研究高质量发展，加强探索性的基础研究，实现从“0”到“1”的原始创新，是整个科学体系实现科技创新的动力源头，是实现“四个面向”的重要保障。

关键工程部件材料的研发与制备是高端制造业发展的关键一环，无论是先进战机发动机服役的可靠性，还是科学仪器使用精度，皆受制于其关键工程部件材料的服役行为。然而，航空、航天、高铁、核电等重要领域的关键工程部件在制备过程中微结构与应力分布会呈现复杂动态演化，如何精准的进行测量与调控，是高端制造业面临的一个重要难题。

我校王沿东教授团队从基础研究和制备加工方面共同发力，成功攻克这一难题，研究成果多次在《Science》等高水平刊物上发表，为我国培养了一批使用大科学装置研究工程材料的人才，团队入选科技部创新人才推进计划重点领域创新团队。该项成果获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖。

一、洞见症结

材料微观表征的基础是“看得清”“看得准”，对于尖端领域先进材料的微结构、使役性能的精准调控存在两大挑战：一是无法示踪微结构单元的晶体学取向与应力变化，另一则是无法实现多尺度结构／微结构与应力场原位测量。王沿东教授团队在实验测试和对制备厂实地调研的基础上，发现微观取向梯度、多尺度非均匀应力场等会影响材料的组织及结构稳定性，这对工程部件材料的研发与制备至关重要。然而，实验室用X射线穿透能力仅限微米量级，无法获得材料内部微结构和应力信息，且难以捕捉微观力学响应的瞬态演化，即使是具有高空间分辨率的透射或扫描电镜，也仅限于在薄试样或试样表面进行研究。

为解决上述问题，就要分别从基础研究和加工制备角度解决“看不清”“看不准”的问题。从基础研究角度，对形变损伤机理及高强韧化设计的深层次理解不足，是制约重要工程部件的设计、制备和服役的关键。探明“晶内微观应力梯度与相间应力/应变配分等关键微观力学响应的规律”，揭示金属材料微结构-性能之间内禀关系，是解决“看不清”问题的突破点。从加工制备角度，准确原位表征复杂形变过程中多尺度应力场演化、揭示材料损伤物理微观机制，是基于微观力学设计高性能结构材料的关键。捕捉外载作用下材料内部应力梯度等关键微观力学响应的瞬态演化，是解决“看不准”问题的突破点。

二、对症下药

王沿东教授开拓性的应用中子与同步辐射装置开展材料微观力学与相变行为研究，率先组建了国内首个研究团队。团队成员潜心研究不停步，勇于攻关克难题，扎根科研十余载，建立了微观力学测试、表征与模拟技术，开辟了金属结构材料变形物理和微观力学研究新途径，推进了基于微观力学的高性能合金设计理论发展，以此为基础，实现了基于中子/同步辐射技术对航空关键部件应力的跨尺度测量，支撑并保障了先进战机发动机部件的研发。这一研究成果对金属材料的疲劳断裂行为与使用寿命准确预估及高性能设计具有重要指导意义。

内部应力探测的“原子尺度标尺”

中子/同步辐射X射线衍射技术可作为一种原子标尺，“在位”无损捕捉到材料与部件内部微观组织（相与晶体取向）与弹性应变/应力场的三维空间精细演化，是材料微观力学探测的理想工具，为工程部件内应力测量提供了一把“原子尺度标尺”。

先进多尺度应力与微观结构原位实验与模拟方法

团队以高性能材料形变与相变过程中组织/多尺度应力演化与微观损伤关联性等重要科学问题为主线，提出并建立了集中子衍射与同步辐射微束/高能X射线衍射于一体的先进多尺度应力与微观结构原位研究方法。新的方法可以精确示踪微结构单元的晶体学取向与应力变化，揭示包括材料疲劳在内的复杂形变过程中多尺度应力场演化及损伤微观物理机制；同时发展了与原位衍射实验互验的各向异性晶体弹塑性模拟方法，实现了对金属微观力学行为的准确预测；结合特定应力-应变本构方程建立了考虑微应力配分及晶粒旋转的塑性流变模拟框架，揭示了高性能钢铁材料在载荷作用下的组织、应力演化规律。

微观应力定量分析

上世纪九十年代，中子衍射和同步辐射高能X射线技术即开始在欧美应用。我国的中子源和同步辐射源建设相对比较晚。2004年，王沿东教授建立了国内首个研究团队，利用欧美的中子与同步辐射装置开展材料微观力学与相变行为研究。随着国内中子源与同步辐射源的建成使用，团队实现了从基础研究到应用的跨越，推动与引领了国内中子与同步辐射源的工程材料研究，特别是开展了航空发动机部件残余应力评估等应用研究。作为“北京材料基因工程高精尖创新中心”的先进表征团队，王沿东教授团队将大科学装置应用于材料基因工程相关高通量表征，指导了新材料设计与工程部件制备及服役状态研究，打通了从基础研究到产品质量控制的全链条科技创新。

同步辐射X射线三维微衍射微观应力定量分析技术

随着研究的深入，团队建立了基于中子与同步辐射高能X射线衍射的应力、温度、磁场等环境下三维空间多尺度结构／微结构与应力场原位测量的先进方法与实验装置。该方法与技术不仅适用于工程材料的形变、相变交互作用机理与多尺度结构的原位表征研究，突破了亚微米尺度原位应力测量的瓶颈，而且实现了大型工程部件（包括飞机重要高温部件）多尺度应力测量，服务于先进战机发动机部件研发。

专心一志，探赜索隐

极深研几做学问

抗责于肩，落实于行

振兴中华铭于心

他们自强不息，心怀鸿鹄之志

披荆斩棘勇当开路先锋

他们咬定牙关，步步稳扎稳打

向开发自主创新核心工程材料无畏迈进！

USTB | 北京科技大学

出品：新媒体中心

来源：科转院

编辑：韩琰森

校审：薛浪

责编：杨美偲

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