王沿東，張哲維，李時(shí)磊，李潤(rùn)光，王友康

(北京科技大學(xué) 新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

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特約專欄

同步輻射高能X射線衍射在材料研究中的應(yīng)用進(jìn)展

王沿東，張哲維，李時(shí)磊，李潤(rùn)光，王友康

(北京科技大學(xué) 新金屬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

同步輻射是具有連續(xù)光譜寬波段、高通量、低發(fā)散度等優(yōu)點(diǎn)的先進(jìn)脈沖X射線光源，可用于開(kāi)展其它光源無(wú)法實(shí)現(xiàn)的諸多前沿科學(xué)研究。第三代同步輻射光源產(chǎn)生的高能X射線，能大幅提高衍射的倒易空間分辨率、穿透深度及時(shí)間分辨能力，實(shí)現(xiàn)使役條件下工程材料與部件內(nèi)部多尺度微結(jié)構(gòu)單元的高效原位、精確無(wú)損表征。配備滿足透射幾何條件、能施加多種力物性環(huán)境的原位裝置，有助于建立多場(chǎng)耦合下材料的跨尺度力學(xué)模型。簡(jiǎn)述了同步輻射高能X射線衍射的基本原理、第三代同步輻射光源的裝置與特點(diǎn)，介紹了高能X射線衍射在材料形變行為、相變以及再結(jié)晶等領(lǐng)域的研究進(jìn)展。最后基于國(guó)內(nèi)外先進(jìn)光源的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了同步輻射高能X射線衍射技術(shù)進(jìn)步的主要方向。

同步輻射高能X射線衍射；材料科學(xué)；多尺度表征；形變；相變

1 前 言

材料的形變和相變行為是由材料晶體結(jié)構(gòu)與多尺度的微結(jié)構(gòu)單元決定。多尺度的微結(jié)構(gòu)主要包括相組成及分布、晶粒尺寸分布、晶粒取向分布及局域不均勻微觀特征如形變帶等。

利用基于同步輻射的高能X射線衍射技術(shù)(High Energy X-Ray Diffraction，以下簡(jiǎn)稱“HE-XRD”)，可以表征多尺度微結(jié)構(gòu)參量在制備過(guò)程中的調(diào)控機(jī)制與使役條件下的演化規(guī)律。一方面，HE-XRD技術(shù)為發(fā)展與驗(yàn)證跨尺度的各種熱力耦合模型提供了重要驗(yàn)證工具與基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1-3]；另一方面，HE-XRD技術(shù)可以揭示關(guān)鍵工程材料與部件服役失效模式和機(jī)理[4-6]，進(jìn)而提出影響質(zhì)量控制的關(guān)鍵微結(jié)構(gòu)參量。本文將綜述同步輻射HE-XRD技術(shù)在材料形變行為、相變機(jī)理、再結(jié)晶機(jī)制等研究領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

1947年4月，Elder F R等人在美國(guó)通用電氣實(shí)驗(yàn)室的70 MeV的電子同步加速器上首次觀察到了電磁輻射，因此命名為同步輻射[7]。利用X射線在晶體中產(chǎn)生的衍射信號(hào)，可以確定高精度的晶體結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)參量[8]。

(1)關(guān)鍵材料與部件在制備和使役條件下應(yīng)力的無(wú)損測(cè)量。典型能量大于60 keV的高能X射線，能很容易穿透1～10 mm量級(jí)的工程材料且衍射角較小，能夠獲得其它技術(shù)無(wú)法得到的精細(xì)晶體結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)確的母相與變體取向、精確的三維應(yīng)力狀態(tài)等信息；

(2)原位同步表征材料的微觀力學(xué)和相變行為。利用倒易空間分辨率和時(shí)間分辨率高的特點(diǎn)，在施加多種力物性(各種應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、磁場(chǎng)及電場(chǎng)等)環(huán)境下，通過(guò)揭示材料結(jié)構(gòu)/微結(jié)構(gòu)演化過(guò)程，原位研究微觀力學(xué)、相變行為及其它物理現(xiàn)象；

(3)與其它同步輻射先進(jìn)表征手段配合，實(shí)現(xiàn)材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、性能的多尺度表征。先進(jìn)的同步輻射光源HE-XRD技術(shù)配合成像/小角散射方法，提供包括微納析出物、空洞、裂紋在內(nèi)的材料跨尺度微結(jié)構(gòu)信息[9]，為全面評(píng)估材料與部件的損傷提供技術(shù)支持。

與HE-XRD同時(shí)發(fā)展的先進(jìn)衍射技術(shù)有中子衍射和同步輻射微束衍射。中子衍射的特點(diǎn)是：①中子在大多數(shù)晶體材料中的穿透能力強(qiáng)，深度較常規(guī)X射線高3～4個(gè)數(shù)量級(jí)[10]，但不易獲得材料近表層信息；②與X射線衍射[11]、透射電鏡相互補(bǔ)充，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)如晶體彈塑性自洽模擬[12, 13]，表征材料三維應(yīng)力、織構(gòu)等結(jié)構(gòu)信息；③目前，裂變?cè)粗凶与y以實(shí)現(xiàn)高通量表征。同步輻射微束衍射的特點(diǎn)包括：①利用K-B鏡組聚焦可使分辨率達(dá)到亞微米甚至納米級(jí)[4]，得到實(shí)驗(yàn)室X射線無(wú)法企及的、更小尺度內(nèi)(如晶界處、二維材料等)的衍射信息[14]；②利用二維面探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)結(jié)構(gòu)(包括晶粒分布、取向、微觀應(yīng)力等)的3D分辨。

2 同步輻射HE-XRD的基本原理及特點(diǎn)

2.1 基本原理

獲得X射線的一種方式是，接近光速的電子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，將沿運(yùn)動(dòng)軌跡切向輻射電磁波。在粒子加速器中，當(dāng)帶電粒子達(dá)到相對(duì)論速度，利用外加偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使其在環(huán)形軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生同步輻射。由于沿帶電粒子運(yùn)動(dòng)方向的切向產(chǎn)生了同步輻射錐，故帶電粒子的洛侖茲因子γ與輻射X光束的發(fā)散角ψ成倒數(shù)關(guān)系[15, 16]。

因此，將光束發(fā)散角ψ(單位：mrad)和入射光源面積S(單位：mm2)歸一化后，同步輻射高能X射線束的通量I(Brilliance)可以用單位時(shí)間間隔(單位：sec)、單位能量帶寬ΔE(單位：eV)的光子數(shù)n來(lái)描述，如下式(1)：

(1)

電子束能量在6～8 GeV以上的第三代同步輻射光源中，高能X射線發(fā)生裝置包括將電子束加速至MeV級(jí)的直線加速器、加速至GeV級(jí)的同步增強(qiáng)器和保持束團(tuán)運(yùn)轉(zhuǎn)的高真空環(huán)境(真空度約10-7Pa)電子儲(chǔ)存環(huán)。在此基礎(chǔ)上，第三代光源進(jìn)一步利用能提高X射線相干性和亮度的扭擺磁鐵(Wiggler)或波蕩磁體(Undulator)等插件，通過(guò)Si單晶體陣列及其(111)晶面切換白光/單色光、K-B鏡組進(jìn)行聚焦[17]，最終能夠獲得具有低發(fā)散度(光束發(fā)散角ψ小于0.5 mrad)、高通量(I達(dá)到1017以上)、指定帶寬的高能X射線光束[18]。

一級(jí)節(jié)點(diǎn)有寧德市蕉城區(qū)霍童溪，七都溪，金溪，飛鸞溪干流，洪口水庫(kù)以及虎貝水庫(kù)碼頭的游客服務(wù)中心，共6個(gè)。

2.2 同步輻射高能X射線衍射的特點(diǎn)

圖1所示為不同能量光子在幾種典型金屬(如Al，Ti，F(xiàn)e和Ag等)中的穿透能力。能量為60 keV時(shí)，高能X射線在Fe中的穿透深度顯著提高，達(dá)到3mm，而使用Cu靶的實(shí)驗(yàn)室X射線衍射儀僅4 μm左右。高能X射線深穿透的特點(diǎn)還可以使HE-XRD技術(shù)在復(fù)雜條件(受力、變溫、外加磁場(chǎng)、高壓)下，對(duì)塊體的單晶或多晶樣品進(jìn)行研究。

圖1 高能X射線穿透深度與相對(duì)應(yīng)的衍射角(晶面間距為Fig.1 Penetration ability of X-rays as a function of photon energy for several

衍射方法包括反射和透射兩種方式，如圖2所示，通過(guò)入射與衍射狹縫的控制與選擇可以獲得材料近表面及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與微結(jié)構(gòu)信息[20]。由于同步輻射產(chǎn)生的高能光子具有穿透率高、吸收率低、散射角小和倒易空間分辨率高等特點(diǎn)，能夠滿足透射幾何條件(見(jiàn)圖2b)。

高能X射線透射實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖3a所示。使用二維面探測(cè)器收集衍射斑點(diǎn)或德拜環(huán)，當(dāng)樣品圍繞水平軸(Y)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度χ或垂直軸(Z)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度ω時(shí)，即可覆蓋更大的倒易空間。由于高能X射線的吸收率低，可以獲得透射幾何條件下的衍射信息，包括單晶產(chǎn)生的漫散射(圖3b)和調(diào)制馬氏體微弱的超點(diǎn)陣衍射(圖3c)和強(qiáng)織構(gòu)多晶材料多方向的衍射環(huán)(圖3d)。

圖2 衍射方法的裝置設(shè)置及測(cè)量體積示意圖：(a)反射衍射，(b)透射衍射Fig.2 Schematics of diffraction instrument set-up and the diffraction gauge volume for reflection (a) and transmission (b)

圖3 高能X射線衍射實(shí)驗(yàn)裝置示意圖(a)，單晶衍射斑(b)，調(diào)制馬氏體超點(diǎn)陣衍射(c)，強(qiáng)織構(gòu)多晶衍射花樣(d)[21]Fig.3 Schematic illustration of the setup for high-energy x-ray diffraction experiments under multiple sample environments (a);A 2D detector is used for collecting: (b) the diffuse scattering of a single crystal, (c) weak super reflections of modulated martensite, and (d) diffraction rings of a strongly textured sample[21]

3 同步輻射HE-XRD在材料研究中應(yīng)用

3.1 材料形變機(jī)理研究

HE-XRD可以原位研究應(yīng)力、溫度及其它載荷作用下，多尺度三維應(yīng)力分布變化主導(dǎo)的材料微結(jié)構(gòu)演化及形變損傷行為。多尺度應(yīng)力包括：部件內(nèi)毫米尺度作用范圍內(nèi)的宏觀(第 Ⅰ 類)應(yīng)力，晶粒作用范圍的(第 Ⅱ 類)應(yīng)力(包括晶間應(yīng)力與相間應(yīng)力)，晶粒內(nèi)部點(diǎn)缺陷、線缺陷導(dǎo)致的小至原子作用范圍波動(dòng)的(第III類)應(yīng)力。材料的微觀組織結(jié)構(gòu)則主要包括相體積與分布、晶粒形狀與取向等。

Jia N等利用HE-XRD技術(shù)對(duì)具有復(fù)相組織的先進(jìn)高強(qiáng)鋼微觀力學(xué)行為進(jìn)行了原位研究[1]。對(duì)同時(shí)存在鐵素體、貝氏體和馬氏體的多相高強(qiáng)鋼，利用HE-XRD倒易空間分辨率高的特點(diǎn)，對(duì)(200)晶面的重疊衍射峰進(jìn)行分離，如圖4a所示確定了不同相在形變過(guò)程當(dāng)中晶格應(yīng)變的變化。根據(jù)原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)圖4b)，建立了彈塑性自洽本構(gòu)模型(Elasto-Plastic Self-Consistent Modeling，簡(jiǎn)稱“EPSC”)，模擬了具有相近結(jié)構(gòu)復(fù)相材料的應(yīng)力配分及彈塑性各向異性行為。此外，基于HE-XRD數(shù)據(jù)對(duì)微觀力學(xué)行為的描述與TEM觀察到的微結(jié)構(gòu)演化特征相符。

圖4 鐵素體+貝氏體鋼的(200)晶面重疊衍射峰(0 MPa)(a)，EPSC與HE-XRD得到的晶格應(yīng)變(b)[1]Fig.4 The (200) diffraction peaks of Ferrite and Bainite phases in the TRIP steel at applied stress of 0 MPa (a), and response of lattice strains to applied stress for different reflections of TRIP steel using EPSC and HE-XRD (b) [1]

Fu B等利用HE-XRD技術(shù)對(duì)相變誘發(fā)塑性變形(Transformation-Induced Plasticity，以下簡(jiǎn)稱“TRIP”) 不同含碳量的C-Mn-Al-Si多相鋼，在室溫(RT)和低溫(LT，-40 ℃)下的微觀力學(xué)行為進(jìn)行了原位研究[22]。結(jié)果表明，在單軸拉伸條件下，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變率不僅取決于宏觀應(yīng)變量(如圖5所示)，還與相間應(yīng)力密切相關(guān)。在塑性形變過(guò)程中，利用HE-XRD獲得相間應(yīng)力演化的信息，據(jù)此建立用于描述TRIP鋼微觀力學(xué)行為的修正本構(gòu)模型，適用于同類的先進(jìn)高強(qiáng)鋼。

圖5 TRIP鋼中殘余奧氏體含量隨宏觀應(yīng)變的變化[22]Fig.5 Evolution of retained austenite fraction with macroscopic strain for the investigated steels[22]

Yang M X等利用HE-XRD技術(shù)研究了單軸拉伸過(guò)程中，Mn-Al-Ni鋼的應(yīng)變硬化行為[23]。這種由γ奧氏體和B2金屬間化合物組成的雙相鋼，屈服強(qiáng)度達(dá)到1.2～1.4 GPa、均勻伸長(zhǎng)率達(dá)18%～34%。利用HE-XRD原位技術(shù)，跟蹤了在兩相在共同變形前，彈/塑性轉(zhuǎn)變和兩相之間的應(yīng)變配分。根據(jù)圖6中不同晶面晶格應(yīng)變隨拉應(yīng)力的變化可知，在形變初始階段、材料達(dá)到屈服強(qiáng)度峰值后，材料的應(yīng)變硬化速率顯著增加。如圖7所示，進(jìn)一步的循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示了奧氏體相的包申格效應(yīng)導(dǎo)致其在卸載階段發(fā)生屈服，這種背應(yīng)力硬化現(xiàn)象是雙相高強(qiáng)鋼具有高延伸率的主要原因。

圖6 γ、B2相分別沿加載方向(軸向)和垂直方向的晶格應(yīng)變隨軸向拉應(yīng)變的變化：(a)拉伸應(yīng)變0%～0.3%，(b)拉伸應(yīng)變0.04%～0.11% [23]Fig.6 Lattice strains in axial (loading) and transverse direction, respectively, in both γ and B2 versus applied tensile strain(a) and close-up of the three stages in (a) in axial direction (b) [23]

材料的晶粒取向分布演化對(duì)多晶體材料的性能有重要影響，但以往對(duì)織構(gòu)通常只能進(jìn)行宏觀尺度表征。Margulies L等提出了一種在晶粒/亞晶粒尺度水平研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的方法[24]。利用HE-XRD原位技術(shù)，觀察到在拉伸變形過(guò)程中材料內(nèi)部的晶粒旋轉(zhuǎn)取向機(jī)制與經(jīng)典的Taylor和Sachs模型并不一致。

圖7 γ+B2雙相鋼在循環(huán)加載過(guò)程中，殘余塑性應(yīng)變與軸向應(yīng)力隨卸載階段拉伸應(yīng)變的變化[23]Fig.7 Reverse plastic strain (εrp) and Δσy of dual-phase steel r+B2versus unloading strains (εun) under cyclic loading process[23]

金屬和合金發(fā)生塑性形變時(shí)，準(zhǔn)確地表征時(shí)間分辨的位錯(cuò)演化動(dòng)力學(xué)，有助于理解材料的加工硬化現(xiàn)象。Bo Jakobsen等利用HE-XRD方法原位追蹤了單個(gè)晶粒發(fā)生塑形形變時(shí)的亞結(jié)構(gòu)演化[25]。在純銅的拉伸變形過(guò)程中，位錯(cuò)墻和位錯(cuò)胞隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出具有間歇性的動(dòng)態(tài)演化特征。

綜上所述，同步輻射HE-XRD技術(shù)能夠精確地表征宏觀應(yīng)力、晶間應(yīng)力、相間應(yīng)力和第Ⅲ類應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)多尺度微結(jié)構(gòu)演化的高時(shí)空分辨，是研究材料微觀力學(xué)行為不可或缺的方法。

3.2 材料相變機(jī)理研究

在多場(chǎng)耦合條件下，同步輻射高能X射線衍射技術(shù)在單晶材料或存在較強(qiáng)織構(gòu)多晶材料的相變行為研究中具有優(yōu)勢(shì)。目前的前沿研究主要包括：相變形核、外加應(yīng)力場(chǎng)、磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化對(duì)溫控形狀記憶合金[26]、鐵磁形狀記憶合金[27, 28]和納米線增強(qiáng)的形狀記憶復(fù)合材料[29]等材料相變行為的影響。

Mu J等利用HE-XRD技術(shù)對(duì)在枝晶增韌的鈦基非晶復(fù)合材料內(nèi)部，由形變誘發(fā)的相變行為進(jìn)行原位研究[29]。使用TEM和原位HE-XRD配合，研究了壓縮變形誘導(dǎo)的微結(jié)構(gòu)演化和相變行為。原位HE-XRD實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在宏觀應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線性彈性階段，材料的形變誘發(fā)了馬氏體從β到α′′的二級(jí)相變(見(jiàn)圖8a)，獲得了晶態(tài)增強(qiáng)相在形變過(guò)程中的微觀應(yīng)力(圖8b)，揭示了馬氏體相變主導(dǎo)的晶態(tài)增強(qiáng)相與非晶基體間應(yīng)力配分機(jī)制的變化。

圖8 增強(qiáng)相不同晶面應(yīng)變隨加載應(yīng)力的變化(a)，原位加載過(guò)程中，β到α′′的二級(jí)相變(b)[29]Fig.8 1-D HE-XRD diffraction profiles of the studied AAC in the loading direction (a), and response of lattice strains to the applied stress for different (hkl) planes of the β phase during the deformation process (b) [29]

Hao S J等[30, 31]成功地制備出屈服強(qiáng)度達(dá)到1 GPa、伸長(zhǎng)率超過(guò)6%的NbTi納米線增強(qiáng)NiTi基復(fù)合材料(直徑為0.58 mm)，并利用HE-XRD技術(shù)研究其超彈性行為。圖9所示為原位加載過(guò)程中的HE-XRD圖譜變化，結(jié)果表明NiTi基體存在相變過(guò)程，而該材料超彈性的出現(xiàn)歸因于基體承擔(dān)的應(yīng)力在變形過(guò)程中向NbTi相轉(zhuǎn)移，進(jìn)而延長(zhǎng)基體的彈性形變階段，揭示了金屬基復(fù)合材料在彈/塑性變形不同階段的微觀應(yīng)力配分與其宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。

圖9 加/卸載時(shí)，NiTi發(fā)生可回復(fù)馬氏體(B2→B19)相變[30]Fig.9 Three sections of diffraction patterns for the NbTi (110),B2- NiTi (110), and B19′-NiTi (001) perpendicular to the loading direction during tensile loading/unloading[30]

很多情況下，多晶材料的力學(xué)性能由制備時(shí)的相變形核與生長(zhǎng)過(guò)程決定。Offerman S E等利用同步輻射HE-XRD研究了單個(gè)內(nèi)晶粒尺度的相變動(dòng)力學(xué)[32]，結(jié)果表明，發(fā)生相變晶粒的形核激活能比熱力學(xué)模型的預(yù)測(cè)值低至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且出現(xiàn)非均勻的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)特征。

總之，在馬氏體變體選擇的微觀“記憶效應(yīng)”、應(yīng)力誘發(fā)相變動(dòng)力學(xué)、超彈性[33]、相變形核與生長(zhǎng)以及本文未提及的磁驅(qū)動(dòng)相變[34]等問(wèn)題的最新研究當(dāng)中，HE-XRD均是行之有效的表征手段。

3.3 其它材料科學(xué)研究中的應(yīng)用

由于高倒易空間分辨率和高空間分辨率，同步輻射高能X射線衍射技術(shù)除應(yīng)用在形變、相變機(jī)理研究領(lǐng)域，亦實(shí)現(xiàn)了對(duì)形變晶粒的再結(jié)晶過(guò)程等晶粒/亞晶粒尺度問(wèn)題的原位跟蹤。

對(duì)于材料形變后的再結(jié)晶過(guò)程，以往僅基于微觀組織的統(tǒng)計(jì)結(jié)果在理論上進(jìn)行分析。Schmidt S等利用同步輻射HE-XRD觀察了形變樣品中，單個(gè)晶粒在再結(jié)晶過(guò)程中的原位生長(zhǎng)[35]。結(jié)果表明，再結(jié)晶新晶粒生長(zhǎng)模式很不均勻，與“再結(jié)晶期間，晶粒平滑、球形生長(zhǎng)”的經(jīng)典假設(shè)矛盾；同時(shí)，原位地跟蹤了形變材料單個(gè)晶粒內(nèi)的再結(jié)晶形核和邊界遷移過(guò)程。

4 高能X射線衍射技術(shù)的未來(lái)展望

同步輻射HE-XRD技術(shù)在材料科學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展，主要取決于模擬真實(shí)條件的復(fù)雜樣品環(huán)境設(shè)計(jì)、探測(cè)器和光源的升級(jí)、功能更加全面的圖像和數(shù)據(jù)分析軟件開(kāi)發(fā)。

目前，國(guó)內(nèi)外可用于材料科學(xué)研究、X射線能量達(dá)到100 keV量級(jí)的衍射線站中，光束通量I在1010～1021之間，而最新發(fā)展的自由電子激光技術(shù)，光束通量I能達(dá)到1025[36]，這將有助于實(shí)現(xiàn)HE-XRD在更小尺度上實(shí)現(xiàn)亞皮秒級(jí)的時(shí)空分辨；此外，國(guó)內(nèi)外針對(duì)外加磁場(chǎng)與/或電場(chǎng)、壓力、低/高溫等復(fù)雜樣品環(huán)境的裝置設(shè)計(jì)已在進(jìn)行當(dāng)中，將能夠?qū)崿F(xiàn)多場(chǎng)耦合、極端條件下材料形變相變行為的研究；而計(jì)算散射科學(xué)的發(fā)展，將有助于分析和解釋HE-XRD實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的高復(fù)雜性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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(編輯 蓋少飛)

Application of Synchrotron-Based High-EnergyX-Ray Diffraction in Materials Research

WANG Yandong, ZHANG Zhewei, LI Shilei, LI Runguang, WANG Youkang

(State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

Synchrotron radiation is pulsed radiation generated by bunches of charged particles with relativistic energies. Due to high intensity, high spatial/time resolution and high penetration depth, the synchrotron-based high-energy X-ray diffraction (HE-XRD) technique can be used to characterize the evolution of the multi-scale microstructures in engineering materials. By applicating the in-situ experimental instrument, the HE-XRD provides rich information on experimental inputs for establishing various micro-mechanical models of engineering materials under interaction of multiple external stress, temperature, and/or magnetic fields. Moreover, HE-XRD provides also powerful tools for revealing the damage and failure mechanisms of advanced materials and evaluating performance of engineering components during usage. In this paper, the basic principles of synchrotron radiation and HE-XRD are briefly introduced and their applications to deformation, phase transformation and recrystallization are presented, including the micromechanical behavior and microstructure evolution of advanced multiphase materials with high strength, the influence of external fields on the phase transformation behaviors of thermal and ferromagnetic shape-memory alloys and nanowire-reinforced shape-memory composites, etc. Finally, based on the further development of advanced photon sources, the future applications of HE-XRD technology in higher time resolution and multiple actual environment are prospected.

synchrotron-based high-energy X-ray diffraction; material science; multi-scale characterization; deformation; phase transformation

2016-12-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51471032, 51231002, 51527801)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(06111020, 06111040)

王沿東，男，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email：

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.03.02

O434.19

A

1674-3962 (2017)03-0168-07