郭恩宇，王同敏
大连理工大学 材料科学与工程学院
相较于国外，我国科学家在利用同步辐射开展金属材料研究的工作起步较晚，但近些年来，借助于国内外的同步辐射装置也开展了一些工作，取得一些研究进展和创新成果。以下选取了部分典型工作进行介绍。金属材料冷却过程中的熔体结构变化与晶核的早期形成及演化机理，是凝固科学研究领域的难点。近年来，上海交通大学李建国研究组基于上海同步辐射光源搭建了一套材料原位形核环境装置，可提供1800℃高温样品环境，用原子对分布函数（Pair distribution function，PDF）方法可在70keV的高能X射线单色光下实现16Å的空间结构分辨率，亚微秒级时间分辨率的原子结构表征，从而实现对凝固过程熔体结构变化和晶核形成的原位追踪。图13(a)为该装置的实物照片。通过分析Al-Cu-Fe熔体准晶体和晶体结构的变化过程发现，形核过程中熔体的空间密度变化不大，但特定原子结构围绕原子对的翻转、折叠控制了形核过程的发展路径；对纯铁熔体的研究发现，通过选择不同晶体结构的异质形核核心或者选择合适的微量合金元素可以调控熔体的原子结构演化路径，从而影响形核能垒，部分结果见图13(b)-(e)。此外，该课题组利用同步辐射原位成像方法研究了Al-Cu、Al-Ni合金凝固过程中金属间化合物的形成和气孔缺陷的演化等。研究成果成功用于指导解决涡轮单晶叶片制备的引晶及生长取向控制两大难点，获得了无杂晶，取向偏离度小于8°的某型号单晶叶片。图13 同步辐射原位形核环境装置及金属熔体结构与形核过程。
（a）同步辐射原位形核环境装置实物图；（b）Al85.5Ni9.5La5合金凝固过程中的熔体结构变化结果，证实（c）异质形核核心，及（d）合金元素均能有效调节熔体结构，并影响形核能垒及形核界面的形成。
合金凝固组织演变过程中溶质场、流场、温度场，是凝固科学研究中的关键信息。上海交通大学孙宝德研究组基于上海同步辐射光源研制了凝固过程多场信息原位实时关联分析仪，通过集成X射线成像、红外、衍射和散射等多种探测仪器，实现了凝固过程多场信息的同步定量分析。基于上述装置，他们研究了Al-Cu合金凝固过程中冷却速率和溶质浓度对枝晶形貌的影响，发现一种新的树枝双胞晶生长模式；通过对Al-Cu合金凝固过程晶粒生长行为的分析，在实验上证实了生长枝晶前沿存在“溶质抑制形核区”，并揭示了其对晶粒尺寸的影响机理；此外，他们还开展了超声作用下金属熔体中声空化泡研究，结合同步辐射小角X射线散射技术获得了Al-Cu合金熔体超声处理后的结构变化，提供了声空化诱发形核的实验证据。金属材料，在复杂受载下的组织结构演化机理和损伤评价，是保证金属材料服役安全的重要基础。针对强度和塑性的倒置关系，南京工业大学范国华研究组提出了基于局域应变调控的金属材料强塑性协同提升机制，提出应变非局域化包括弹性变形过程的晶格应变、塑性变形过程的位错/孪生/相变以及断裂过程的裂纹累积，提出应变非局域化的有效调控是提升金属结构材料综合力学性能的关键。基于同步辐射X射线原位三维成像和衍射技术，他们系统研究了构型化金属结构材料（如Ti/Al层状复合材料）在拉伸载荷作用下的细观损伤行为，部分结果如图14所示。研究结果发现层状结构缓解了应变局域化，并约束了裂纹的形核和扩展行为，从而实现了强度和塑性的协同优化。利用同步辐射成像与数字图像关联技术，阐明了材料“层状构型设计-局域应变/裂纹分布-宏观力学性能”间的关联响应机理，并建立了裂纹演化规律与组元相组织性能之间的对应关系，为高性能金属材料的结构设计提供了理论依据。相关理论成果在Ti/Al层状材料、Ti/Ti3Al层状材料、TiBw/Ti-Ti(Al) 层状材料、Ti/SiCp-Al层状材料，及带状稀土镁合金中得到验证。图14 室温原位拉伸过程中Ti/Al层状复合材料不同应变量下三维裂纹可视化形貌，层状结构的设计显著地约束了裂纹的形核及扩展行为。在金属材料的疲劳研究方面，西南交通大学的吴圣川课题组开发了同步辐射原位疲劳加载装置，可开展材料内部微结构的同步辐射原位疲劳损伤研究。针对增材制造钛合金和铝合金开展的原位疲劳试验研究，提出了综合反映缺陷尺寸、位置和加载等因素的扩展缺陷尺寸来表征材料中的临界缺陷的新概念和基于修正Kitagawa-Takahashi图（KT图）的缺陷行为表征新思路。在利用同步辐射高能X射线衍射技术开展金属材料的变形机制方面，北京科技大学的王沿东研究组，利用同步辐射X射线和中子散射技术揭示了宽温域下具有零滞后超高弹性应变NiCoFeGa单晶纤维的物理机制（部分结果见图15）。研究发现零滞后弹性形变的起源不同于传统应力/应变诱发的马氏体相变（从奥氏体到马氏体）晶格突变机制，其宏观弹性形变来自于应力作用下的晶格连续畸变。其产生的物理机制源于一种新型的“原子尺度的有序无序纠缠结构态”导致的一级马氏体相变被抑制，从而演化为微观连续相变（属于二级或高级相变）。因此，这种新型无滞后超高弹性是“超临界弹性”（Supercritical elasticity）。此外，该研究组基于同步辐射衍射/散射实验技术建立了金属材料在应力、温度、外场等作用条件下的原位测量及定量表征方法，以及与形变损伤密切关联的各向异性微观塑性流变模拟的先进计算方法，研究了先进钢铁、形状记忆合金、钛合金、锆合金、高强铝合金、高熵合金等典型单/多相材料在复杂服役条件下三维多尺度微观结构单元的演化规律及形变/相变与损伤行为的微观机制。图15 NiCoFeGa单晶纤维的超临界弹性
（a）传统超弹与超临界弹性比较；（b）传统超弹与超临界弹性在加载、卸载时奥氏体（004）衍射峰变化；（c）宽温域下的超临界弹性；（d）超临界弹性在最高应变10%下的循环稳定性测试曲线；（e）超临界弹性合金高温退火后在[110]带轴高角环形暗场像，高温退火后原子尺度纠缠态长大形成了清晰可见的L21与w结构态
西安交通大学陈凯课题组，在利用同步辐射微衍射开展金属材料的研究方面亦做了一些创新性工作。在硬件方面，其设计了多种适用于同步辐射微衍射的载荷-温度-电流-气氛等多因素耦合的原位测试装置（图16(a)）。在软件方面，其自主研发了全套同步辐射微衍射数据深度挖掘与可视化算法、软件系统，实现了海量衍射图谱的无损压缩、基于衍射强度实时解析微观组织结构、劳厄衍射谱的快速分析、能量扫描衍射峰在倒空间的三维重构与可视化，数据分析速度相比于欧美通用技术方法提高了10倍以上。开发的软件界面如图16(b)所示。在软、硬件的支持下，该团队不断拓展与深入同步辐射微衍射技术在金属合金、能源信息、地球环境等诸多材料领域的应用。针对镍基高温合金单晶叶片服役损伤后的修复再制造这一重大需求，利用同步辐射微衍射等高通量表征技术，基于对“γ′强化相溶解析出动力学过程中位错运动演化”这一微观物理机制的理解，在国际上提出了单晶高温合金塑性变形的“筏化-回复”机理，通过热处理制度的革新，实现调控微观结构的同时，成功抑制了再结晶的出现（机制示意图见图16(c)所示）。图16 同步辐射微衍射方面的研究进展
（a）力-热-气氛耦合原位表征装置；（b）数据分析软件PYXIS与可视化软件XtalCAMP界面；（c）基于同步辐射微衍射研究的3D打印高温合金单晶回复机理与热处理制度研究
上海交通大学曾小勤、王乐耘研究组利用原位同步辐射衍射针对镁合金、钛合金开展了研究工作。其用到的表征技术包括普通二维面探衍射、三维X射线衍射（3DXRD）和白光微束衍射技术。在数据分析方面，其自主开发了海量衍射数据批处理、基于3DXRD数据的材料内部晶粒标定与应力测量、基于白光微束衍射斑形貌的位错标定等相关计算机程序。运用普通二维面探衍射，定量探明了稀土镁合金的析出序列及不同析出相对材料强度的贡献，从变形机制角度理解了激光增材制造钛合金的塑性影响因素。基于3DXRD技术，发明了测量金属材料中滑移系启动临界剪切应力这一基本物理量的新型实验手段，从滑移系启动的角度揭示了稀土元素提高镁合金延伸率的主要原因。运用白光微束衍射技术，对镁合金形变后不同滑移系上的位错在晶粒中的分布进行了定量表征。中国科学技术大学许峰、胡小方教授课题组在材料内部全场力学参量精细测量与表征上做了较多的工作。该课题组依托上海光源，研制了多套同步辐射原位实验装置，实现了材料制备与服役过程内部力学演化的三维可视化表征。基于上述原位实验平台，实现了高温微波烧结过程的同步辐射原位CT实验，开展了材料失效破坏过程的微纳米分辨率三维在线表征，发现了物质反向传输、纤维端部聚集导致应力集中等传统实验方法未曾观察到的力学演化新现象；并进一步基于原位实验结果提出了“局部等离子体微波闪烧驱动机制”、“磁致分子极化微波烧结驱动力模型”以及“应变集中区域连通主导的断裂机制”等力学演化新机制。此外，香港大学的黄明欣课题组和北科大联合研究组利用上海光源BL14B1的X射线衍射实验证明了超级钢在大塑性变形后产生的马氏体相变，为“形变和分区”策略机制的运用奠定了基础。北京高压科学研究中心陈斌和重庆大学黄晓旭等联合多个科研团队利用金刚石芯，在上海光源SSRF和美国先进光源ALS，利用同步辐射X射线衍射技术开展了不同纳米尺度（3-200nm）金属镍的变形行为，进一步研究了超细晶粒金属材料的强度与尺寸之间的关系，为今后发展超强纳米金属提供了重要信息。北京高压科学研究中心毛河光院士团队将金刚石对顶砧装置与μXRD相结合，发现Ni纳米颗粒在受高压时产生的晶粒转动角度具有典型的晶粒尺寸效应，这主要与晶界/晶粒内位错协调变形机制的竞争有关。由上面的叙述可以看出，目前国内一些课题组在利用同步辐射开展金属材料的研究方面通过多年的努力已积累了一些经验，在软、硬件设施的建设和具体金属材料的研究上取得了一定的突破性进展，且在相关研究领域的实力正在逐步壮大。第一篇 总论/ 001
第1章 我国新材料基础研究的现状、机遇与挑战/ 002
第二篇 前沿新材料/ 015
第2章 拓扑电子材料/ 016
第3章 六元环无机材料/ 036
第4章 有机光电功能半导体分子材料/ 064
第5章 梯度纳米结构材料/ 082
第6章 柔性超弹性铁电氧化物薄膜/ 098
第7章 集成电路用碳纳米管材料/ 113
第8章 新一代分离膜材料：二维材料膜/ 135
第9章 材料素化/ 154
第三篇 战略新材料/ 169
第10章 空间材料科学研究/ 170
第11章 生物医用纤维材料/ 194
第12章 钙钛矿发光、光伏及探测材料/ 211
第13章 新型超高强度钢及其强韧化设计/ 229
第14章 存储器芯片材料/ 247
第15章 先进半导体关键器件材料/ 278
第16章 热电能源材料/ 295
第17章 燃料电池氧还原催化关键材料/ 314
第四篇 基础创新能力提升/ 335
第18章 材料基因工程关键技术与应用/ 336
第19章 基于先进同步辐射光源的金属材料研究与创新平台建设/ 360
第20章 基于透射电镜的原位定量测试技术及应用/ 388