張玉彬，范國華

(1.丹麥技術(shù)大學(xué)風(fēng)能系，丹麥 羅斯基勒 4000)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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特約專欄

三維X射線衍射技術(shù)在金屬材料研究中的應(yīng)用

張玉彬1，范國華2

(1.丹麥技術(shù)大學(xué)風(fēng)能系，丹麥 羅斯基勒 4000)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

三維X射線衍射技術(shù)(3DXRD)是一種新興的、先進(jìn)的材料表征技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用高能同步輻射X射線，可以表征塊體材料的三維晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)。同時(shí)測(cè)量是無損的，因此可以應(yīng)用這一技術(shù)跟蹤材料內(nèi)部的微觀組織隨時(shí)間的演化(也就是四維的結(jié)構(gòu)表征)。高強(qiáng)度同步輻射X射線還保證了能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部微米級(jí)結(jié)構(gòu)的衍射信息進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測(cè)量。這一技術(shù)最早由前丹麥國家實(shí)驗(yàn)室材料研究部以及歐洲同步輻射研究中心(ESRF)共同研究開發(fā)。幾年之后，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室和美國先進(jìn)光子源(APS)研究開發(fā)了另外一類3DXRD技術(shù)。目前已經(jīng)可以在幾個(gè)大型的同步輻射中心應(yīng)用3DXRD技術(shù)，例如ESRF、APS和日本的Spring-8。綜述了3DXRD技術(shù)的由來、基本原理、技術(shù)指標(biāo)，以及該技術(shù)在金屬材料研究中的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。最后簡(jiǎn)要介紹該技術(shù)的最新研究進(jìn)展，并對(duì)其未來在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

三維X射線衍射技術(shù)；晶體結(jié)構(gòu)；微觀組織；塑性形變；再結(jié)晶形核及長(zhǎng)大；晶粒長(zhǎng)大；局部應(yīng)力/應(yīng)變分析

1 前 言

絕大部分應(yīng)用材料及其微觀組織結(jié)構(gòu)都是三維的。近年來，材料研究科學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到了材料三維表征的重要性。為了能夠更好地優(yōu)化材料的性能和延長(zhǎng)材料的使用壽命，對(duì)跟蹤材料三維組織結(jié)構(gòu)在加工及服役過程中的演化的需求也越來越明顯。這需要能夠?qū)Σ牧先S微觀組織進(jìn)行快速的無損測(cè)量。在這一背景下，三維X射線衍射技術(shù)(3DXRD)應(yīng)運(yùn)而生[1]。

大型同步輻射裝置的建立為這一技術(shù)的研發(fā)提供了必要的基礎(chǔ)。高能同步輻射 X射線(50～100 keV)可以無損地穿透毫米級(jí)(鋼等重金屬)甚至厘米級(jí)(鋁等輕金屬)的塊體材料。高強(qiáng)度的同步輻射X射線可以使得從材料內(nèi)部微米尺度體積發(fā)出的衍射信息能夠被快速(秒級(jí))準(zhǔn)確地測(cè)量。保證這一技術(shù)的空間分辨率可以達(dá)到微米級(jí)別。同時(shí)無損測(cè)量的特點(diǎn)使得原位跟蹤組織結(jié)構(gòu)演化成為可能。這是任何其它有損測(cè)量三維表征技術(shù)無法達(dá)到的[2,3]，使得3DXRD技術(shù)在材料科學(xué)研究中有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

最早的關(guān)于3DXRD技術(shù)基本理念的文章發(fā)表于1995年[4]。來自丹麥前Ris?國家實(shí)驗(yàn)室的Dorte Juul Jensen教授和Henning Friis Poulsen教授是這一技術(shù)的兩位先驅(qū)。這一技術(shù)最早在德國漢堡HASYLAB不同線站上實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)固定的3DXRD實(shí)驗(yàn)裝置后來在法國格勒諾貝爾歐洲同步輻射研究中心(European Synchrotron Radiation Facility, ESRF)的ID11線站上建立。最近幾年，實(shí)驗(yàn)設(shè)備得到了進(jìn)一步的完善和發(fā)展，特別是在目前主要應(yīng)用的第三工作站內(nèi)[5]?，F(xiàn)在3DXRD技術(shù)裝置已經(jīng)成為ID11線站的永久裝置，在線站科研人員的幫助下，可供任何潛在的用戶申請(qǐng)使用。

其它幾個(gè)大型同步輻射中心也陸續(xù)安裝了這一研究裝置，例如美國先進(jìn)光子源(Advanced Photon Source, APS)1-ID線站[6]和日本Spring-8 BL20XU線站。德國漢堡電子加速器(DESY)P07線站也安裝了3DXRD技術(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置，并將于2017年向用戶開放。

2 技術(shù)原理

3DXRD技術(shù)又稱高能X射線衍射技術(shù)(High-Energy X-Ray Diffraction Microscopy，HEDM)[7]。該技術(shù)采用單色高能同步輻射硬X射線。應(yīng)用斷層掃描(Tomography)方式采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集到的晶體衍射信息重構(gòu)樣品內(nèi)的三維晶粒信息。在最佳的情況下，樣品內(nèi)幾百到幾千個(gè)晶粒的晶體學(xué)取向、位置、形貌以及彈性應(yīng)變可以同時(shí)獲得[8]。并且還可以通過原位研究跟蹤這些信息在形變或熱處理過程中的演變。

實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。樣品固定在可以沿著x,y,z方向進(jìn)行高精度平移的樣品臺(tái)上。同時(shí)樣品臺(tái)還可繞著z軸進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)。二維平面CCD相機(jī)用來接收從樣品中不同晶粒產(chǎn)生的衍射信息。CCD相機(jī)也可以沿著x,y,z三個(gè)方向進(jìn)行平移。目前應(yīng)用的CCD相機(jī)的像素分辨率在1.5～50 μm之間。 高像素分辨率的CCD相機(jī)(小像素尺寸 )主要用于采集近場(chǎng)衍射信息，從而得到高分辨率的晶粒形貌信息。而低像素分辨率相機(jī)(大像素尺寸)一般用于采集遠(yuǎn)場(chǎng)衍射信息，用于對(duì)晶體取向和彈性應(yīng)變的分析。在原位研究中，拉伸臺(tái)或爐子和樣品同時(shí)固定在可旋轉(zhuǎn)樣品臺(tái)上[1]。

圖1 3DXRD技術(shù)裝置示意圖[1]Fig.1 3DXRD set-up used at ID11, ESRF. The angles 2θ, ω and η are defined in the figure [1]

入射的單色光通常由會(huì)聚鏡和狹縫限制在一定的區(qū)域內(nèi)。一般為層狀(5 μm厚)或平面(0.3～1 mm2)光照射在樣品上。樣品在被入射光照射的區(qū)域內(nèi)，所有滿足布拉格衍射條件的晶粒都會(huì)發(fā)生衍射(如圖2)。同一晶粒的不同晶面產(chǎn)生的衍射斑可以在樣品繞著豎直軸(z軸，與入射光垂直)旋轉(zhuǎn)過程中逐一的投影在CCD相機(jī)上[1,8]。

該技術(shù)的一個(gè)主要難點(diǎn)是如何在成千上萬的衍射斑點(diǎn)中(如圖2)確定哪些是來自于同一個(gè)晶粒的。開始階段主要采用光線追蹤的辦法。在同一旋轉(zhuǎn)角度下，在不同的位置采集衍射花樣(例如圖1所示的L1，L2位置)。連接同一個(gè)晶粒在不同相機(jī)位置上的衍射斑，即可推知晶粒在樣品中的位置。目前這一工作已經(jīng)完全由計(jì)算機(jī)程序完成，而且不再采用光線跟蹤方法。主要采用計(jì)算機(jī)擬合方法對(duì)單一相機(jī)位置得到的衍射數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，從而確定相機(jī)的位置、傾斜角等。再采用計(jì)算機(jī)程序如ImageD11[9]或者GrainSpotter[10]搜索和標(biāo)定晶粒晶體學(xué)取向。應(yīng)用FitAllB程序可以對(duì)已標(biāo)定晶粒的彈性應(yīng)變張量進(jìn)行分析[11]。對(duì)于三維晶粒重構(gòu)的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)一步應(yīng)用GrainSweeper[12]或Monte Carlo優(yōu)化軟件[13]等進(jìn)行分析。

圖2 某一旋轉(zhuǎn)角度ω下, CCD相機(jī)在不同位置得到的原始衍射斑數(shù)據(jù)。樣品為多晶Al1050、平均晶粒尺寸70 μm，X射線能量55 keV。(a)由高像素分辨率相機(jī)(像素尺寸1.5 μm)在離樣品7 mm位置獲得(近場(chǎng)相)，(b)由低像素分辨率相機(jī)(像素尺寸50 μm)在190 mm位置獲得(遠(yuǎn)場(chǎng)相)[8]Fig.2 Example of raw images acquired with the 3D detector at a specific rotation angle, ω. The sample is an annealed Al1050 polycrystalline with grains of average size 70 μm. The X-ray energy was 55 keV. (a) Near-field image at a distance of 7 mm from the sample, and (b) far-field image at a distance of 190 mm [8]

3DXRD技術(shù)主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)操作模式。在同一實(shí)驗(yàn)中，通常要采用不同的操作模式來優(yōu)化時(shí)間、空間和角分辨率[8,14]。

(1)遠(yuǎn)場(chǎng)晶粒中心標(biāo)定模式。這一模式主要應(yīng)用遠(yuǎn)場(chǎng)相機(jī)來快速對(duì)晶粒尺度的信息進(jìn)行分析?？梢缘玫骄Я５闹匦奈恢谩Ⅲw積、取向以及平均應(yīng)變張量等信息。一般采用平面光，可以同時(shí)對(duì)相對(duì)較大的體積內(nèi)的所有晶粒進(jìn)行快速分析。這種模式的角分辨率較高，可以達(dá)到0.1°甚至更低。時(shí)間分辨率可以達(dá)到幾分鐘，可以用來進(jìn)行真正的原位分析研究。

(2)近場(chǎng)三維重構(gòu)模式。這一模式需要結(jié)合近場(chǎng)相機(jī)來采集晶粒形貌信息。重構(gòu)結(jié)果可以得到晶粒的三維形貌，確定晶界的位置。這種模式一般采用片層光，首先對(duì)片層照射的二維平面內(nèi)的晶粒進(jìn)行重構(gòu)。然后通過掃描多個(gè)片層，疊加得到三維的晶粒形貌。因此這一模式相對(duì)較慢。但是可以得到較高的空間分辨率(1～5 μm)。由于測(cè)量時(shí)間需要幾個(gè)小時(shí)，因此通常需要進(jìn)行準(zhǔn)原位研究來跟蹤材料組織結(jié)構(gòu)演化。

對(duì)于第二種模式，也可由3DXRD技術(shù)的衍生技術(shù)：衍射襯度斷層掃描技術(shù)(Diffraction Contrast Tomography)或拓?fù)鋽鄬訏呙杓夹g(shù)(Topo-Tomography)來實(shí)現(xiàn)。拓?fù)鋽鄬訏呙杓夹g(shù)通常聚焦在單個(gè)晶粒上，因此可以提高空間分辨率(1 μm)和時(shí)間分辨率(< 0.5 h)。關(guān)于這兩項(xiàng)技術(shù)的詳細(xì)信息可以參考文獻(xiàn)[15-17]。

APS 34-ID-E線站還存在另外一種基于X射線衍射方法來解析樣品三維結(jié)構(gòu)的技術(shù)，白光微衍射技術(shù)，又稱差分光闌X射線衍射技術(shù)(Differential Aperture X-Ray Laue Diffraction Microscopy, DAXM)[18]。該技術(shù)與上述的3DXRD技術(shù)不同，采用多色會(huì)聚光，通過對(duì)白光Laue衍射花樣來標(biāo)定晶體取向，采用差分光闌來解析樣品深度方向信息。X射線能量通常相對(duì)較低。由于會(huì)聚光斑可以到達(dá)亞微米級(jí)，所以這一技術(shù)的空間分辨率較高，可以用來分析形變組織[19]。但是由于數(shù)據(jù)采集采用掃描模式，體積掃描通常用時(shí)較長(zhǎng)。通常采用準(zhǔn)原位方法研究動(dòng)態(tài)信息。采用該技術(shù)的能量掃描模式還可測(cè)量材料內(nèi)部微觀體積內(nèi)(1 μm3)應(yīng)力應(yīng)變信息[20]。在APS 34-ID-E線站，深度解析的Laue衍射斑的重構(gòu)、標(biāo)定，應(yīng)變分析等可以由LaueGo軟件包[21]完成。這一技術(shù)的詳細(xì)原理可以參考文獻(xiàn)[20,22]。

3 應(yīng)用實(shí)例

在ESRF，3DXRD裝置已經(jīng)安裝了15年以上。擁有了來自世界各地不同背景的用戶。因此該技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣泛。由于這一技術(shù)最初的發(fā)展需求是為了研究金屬的形變?cè)俳Y(jié)晶行為，因此下文中將主要列舉這一技術(shù)在金屬冶金研究中的幾個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。根據(jù)不同的操作模式，分成兩大類。最后介紹一個(gè)白光微衍射技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例。

3.1 晶粒中心標(biāo)定模式應(yīng)用

3.1.1 應(yīng)變張量分析

測(cè)量樣品局部體積內(nèi)的應(yīng)力水平在多個(gè)材料科學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的需求。例如利用裂紋尖端處晶粒的應(yīng)力狀態(tài)來分析裂紋形成與擴(kuò)展過程，測(cè)量相鄰晶粒之間的相互作用力來分析其對(duì)塑性變形過程中開動(dòng)滑移系的影響，相變(形變孿晶)過程中單個(gè)晶粒內(nèi)的應(yīng)變水平對(duì)相變(形變孿晶)過程的影響等。傳統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變分析方法，如中子衍射[23]，往往只能得到樣品大范圍內(nèi)平均應(yīng)力信息，無法對(duì)局部應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

在應(yīng)用3DXRD對(duì)晶體取向進(jìn)行分析的過程中， 還可以得到晶粒內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)信息[11]。圖3為應(yīng)用3DXRD技術(shù)測(cè)得的鎂合金AZ31樣品缺口附近晶粒在拉伸變形過程中軸向應(yīng)力狀態(tài)變化結(jié)果。除了在最高外加應(yīng)力的條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與有限元模擬結(jié)果大體一致。由于裂紋的形成，在最高外加應(yīng)力(如圖3e)下缺口附近的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了應(yīng)力松弛[24]。這一結(jié)果對(duì)理解材料由于局部不均勻性而引起的斷裂有著重要作用。同時(shí)測(cè)量的晶體取向轉(zhuǎn)動(dòng)信息還可用來定性的分析樣品的塑性變形區(qū)及變形量[24]。

圖3 3DXRD技術(shù)測(cè)量的鎂合金AZ31在拉伸過程中缺口附近晶粒軸向應(yīng)力的二維投影分布圖。白色等高線為有限元模擬結(jié)果[24]Fig.3 Measured 2D projections of the axial stress component (σ33 in color) overlaid with the contour levels from the simulations [24]

3.1.2 再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)

除了對(duì)塑性變形的研究，遠(yuǎn)場(chǎng)模式還可以用來跟蹤形變金屬在退火過程中再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大過程。傳統(tǒng)的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)的研究主要采用統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)二維顯微學(xué)測(cè)得的不同再結(jié)晶程度樣品的再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析[25]。這些結(jié)果往往是從樣品的宏觀尺度來理解樣品的“平均”再結(jié)晶過程。

90%形變量Al和92%形變量Cu再結(jié)晶過程的研究顯示[26]，不同晶粒長(zhǎng)大速率均不同，而且晶粒長(zhǎng)大速率隨時(shí)間變化。圖4為幾個(gè)典型的晶粒長(zhǎng)大曲線[27]。從這類結(jié)果中可以確定晶粒瞬時(shí)長(zhǎng)大速率，不同退火時(shí)間下的晶粒尺寸分布，以及晶粒形核時(shí)間等。對(duì)98%形變量的Al的回復(fù)再結(jié)晶過程的跟蹤研究顯示，再結(jié)晶后大尺寸的晶核在最初回復(fù)過程中并不一定具有尺寸優(yōu)勢(shì)[28]。這一結(jié)果對(duì)理解納米金屬在退火過程中的組織演化，進(jìn)而優(yōu)化材料性能至關(guān)重要。

3.2 三維重構(gòu)模式應(yīng)用

3.2.1 再結(jié)晶形核

再結(jié)晶形核過程通常很難研究。因?yàn)榫Ш藬?shù)量少、尺寸小。應(yīng)用傳統(tǒng)的二維分析手段，只能對(duì)晶核形成之后的樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，無法直觀觀察晶核形成過程。即使采集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，也很難準(zhǔn)備判斷晶核的具體形成位置。這種事后分析的方法往往存在失去證據(jù)(Lost-Evidence)問題[29]。

現(xiàn)有的理論主要支持晶核從形變基體中直接產(chǎn)生，因此具有形變基體的取向。但是也存在一些新的研究顯示晶核取向可能會(huì)與其所在的形變基體的取向不同[30]。采用傳統(tǒng)的二維或有損三維分析方法，無法準(zhǔn)確確定晶核與在晶核出現(xiàn)之前的形變基體間的取向關(guān)系。

圖4 90%形變量Cu中，幾個(gè)典型的超大立方取向晶粒(a)和其它立方取向晶粒(b)在130 ℃原位退火過程中的長(zhǎng)大曲線。樣品在退火250 min后再結(jié)晶～25%[27]Fig.4 A selection of growth curves for supercube grains (a) and other cube-grains (b) measured using 3DXRD during in situ annealing at 130 ℃. The sample is ～25% recrystallized at the end of the measurement (after ～250 min annealing) [27]

3DXRD研究形核過程顯示，晶核與基體取向不同的情況確實(shí)存在(如圖5)[31]。晶體取向分析顯示晶核和形變基體也不存在孿晶或高階孿晶關(guān)系。取向差分析顯示新取向的晶核與形變基體的取向差分布有關(guān)，而且晶核與基體的取向差轉(zhuǎn)軸與基體內(nèi)的位錯(cuò)界面的取向差轉(zhuǎn)軸一致[31]。這類結(jié)果對(duì)于闡明再結(jié)晶形核機(jī)理，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)再結(jié)晶織構(gòu)非常重要。

圖5 形變30%的Al樣品在退火過程中新形成的6個(gè)晶核的位置和尺寸以及取向(a)，3DXRD表征平面與電子背散射衍射花樣表征的兩個(gè)側(cè)面的組織結(jié)構(gòu)圖(b)。圖(a)中所示的6個(gè)晶核的位置也標(biāo)定在圖(b)中[31]Fig.5 Position of six nuclei in Al cold rolled 30% and annealed to the beginning of recrystallization (a). Plane section and side sections of the microstructure as characterized by 3DXRD and EBSP (b), respectively, with nuclei positions marked by numbers [31]

3.2.2 再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大

再結(jié)晶晶核形成后，晶核會(huì)通過界面遷移、吞并周圍形變基體而長(zhǎng)大。采用3DXRD[32]或撲斷層掃描技術(shù)[17]原位觀察再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大顯示(如圖6)，即使在低形變量單晶純Al中，再結(jié)晶晶界的移動(dòng)也非常不均勻：部分晶界片段以動(dòng)-停-動(dòng)的方式移動(dòng)；晶界并不平滑，局部存在很多凸起或凹陷[32]。這一結(jié)果完全排除了原有的二維原位研究中可能存在的樣品表面對(duì)晶界的影響，因此揭示了再結(jié)晶晶界移動(dòng)的本質(zhì)方式。同時(shí)這一結(jié)果也引起了科研人員對(duì)局部再結(jié)晶過程的重視，一些新的研究相繼出現(xiàn)。最新應(yīng)用白光微衍射技術(shù)研究再結(jié)晶晶界移動(dòng)的結(jié)果顯示，晶界遷移的不均勻性與周圍形變基體的位錯(cuò)界面的排列方式密切相關(guān)[33,34]。同時(shí)相鄰晶界片段、界面的移動(dòng)性、界面三維法向等影響著晶界移動(dòng)的方式[33,35]。

圖6 采用拓?fù)鋽鄬訏呙杓夹g(shù)跟蹤再結(jié)晶晶粒在不同長(zhǎng)大階段的三維形貌圖[17]Fig.6 Snapshots of the reconstructed 3D grain at different time steps during its growth using topo-tomography technique. The length of the legs of the tripod indicating the reference frame is 42 μm [17]

3.2.3 晶粒長(zhǎng)大

晶粒長(zhǎng)大通常發(fā)生在再結(jié)晶完成之后。在三維重構(gòu)的應(yīng)用中，3DXRD技術(shù)應(yīng)該最適合于研究晶粒長(zhǎng)大過程。因?yàn)樵俳Y(jié)晶晶粒通常在幾十到上百微米，而且內(nèi)部沒有(或很小)取向差，該技術(shù)的空間分辨率和角分辨率最適合表征這類樣品。但是目前為止這方面的研究并不多。主要難點(diǎn)在于很難得到一個(gè)合適的退火溫度和退火時(shí)間，從而跟蹤多個(gè)晶粒的長(zhǎng)大過程。

圖7為采用3DXRD技術(shù)重構(gòu)的完全再結(jié)晶金屬Ni的三維微觀組織[36]。通過跟蹤該樣品在800 ℃下的晶粒長(zhǎng)大行為，可以直接觀察到樣品內(nèi)晶界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的演化。對(duì)退火過程中形成孿晶的三叉晶界的界面能分析得出，孿晶的形成降低了系統(tǒng)的總能量，雖然總界面面積隨著孿晶的形成增加了[36]。這類數(shù)據(jù)為計(jì)算機(jī)模擬晶粒長(zhǎng)大過程提供了直接的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也可以用來研究局部因素對(duì)單個(gè)晶粒長(zhǎng)大行為的影響。

圖7 3DXRD(近場(chǎng)高能X射線衍射)技術(shù)重構(gòu)的完全再結(jié)晶金屬鎳的三維組織形貌[36]Fig.7 Visual representation of the Ni microstructure measured by nf-HEDM [36]

3.3 白光微衍射技術(shù)測(cè)量殘余應(yīng)力

絕大部分材料在加工或服役過程中都會(huì)引入殘余應(yīng)力。有些殘余應(yīng)力可以提高材料的疲勞性能，而有些對(duì)材料的力學(xué)性能是有害的[37]。為了更好的優(yōu)化材料的力學(xué)性能，需要對(duì)局部殘余應(yīng)力(第三類應(yīng)力)[37]進(jìn)行定量的分析，因?yàn)橥ǔ２牧系氖Ф际怯删植坎痪鶆蛐詻Q定，而并非由樣品的平均參數(shù)性能決定。

采用白光微衍射技術(shù)可以對(duì)材料晶粒內(nèi)局部應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。圖8為采用這一技術(shù)測(cè)得的鑄鐵中球狀石墨塊附近鐵素體晶粒內(nèi)的殘余應(yīng)變結(jié)果[38]。由于鐵素體與石墨的熱膨脹系數(shù)不同，在二者的界面附近存在一定的熱殘余壓應(yīng)變，最高達(dá)到-6.5～-8×10-4，而且殘余應(yīng)變/應(yīng)力存在一定的梯度，延伸到鐵素體晶粒內(nèi)大約20 μm范圍內(nèi)。殘余應(yīng)力的存在對(duì)材料在變形過程會(huì)有顯著影響，因此這類結(jié)果對(duì)理解或模擬材料力學(xué)性能非常重要。這一技術(shù)也是目前為止唯一能夠?qū)K體材料內(nèi)部的微觀組織和局部應(yīng)力同時(shí)進(jìn)行無損測(cè)量的技術(shù)。

圖8 采用白光微衍射技術(shù)測(cè)得的鑄鐵中球狀石墨塊附近鐵素體晶粒內(nèi)的殘余彈性應(yīng)變結(jié)果。(a)和(b)為不同石墨塊(A～C)周圍的鐵素體晶粒[38]Fig.8 Maps colored according to the strains determined using the monochromatic energy scan of the microdiffraction technique. (a) and (b) are for matrix grains at different graphite nodules, A～C[38]

4 結(jié) 語

通過上述有限的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，已經(jīng)可以看出3DXRD技術(shù)應(yīng)用的廣泛性。目前為止，3DXRD技術(shù)是作者所知唯一的可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塊體材料進(jìn)行四維結(jié)構(gòu)表征的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。采用此技術(shù)對(duì)塊體材料的三維微觀組織進(jìn)行快速無損測(cè)量，空間分辨率一般在1 μm左右，角分辨率可以達(dá)到0.01～0.1°。根據(jù)不同需要，可以采用不同操作模式對(duì)三維、四維表征進(jìn)行優(yōu)化。這一技術(shù)的出現(xiàn)使得材料表征分析進(jìn)入了一個(gè)全新階段。目前為止，該技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域取得了突破性的研究成果。前所未有的四維直觀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為材料科學(xué)研究發(fā)展帶來了新機(jī)遇和挑戰(zhàn)，后者特別表現(xiàn)在對(duì)海量三維、四維數(shù)據(jù)的分析與處理上。同時(shí)四維原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也為計(jì)算機(jī)模擬材料組織結(jié)構(gòu)演化提供了初始數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)階段該技術(shù)的主要不足是空間分辨率還不能和二維電子顯微技術(shù)相比。Henning Friis Poulsen教授及其課題組已經(jīng)開啟了把該技術(shù)空間分辨率提高到納米級(jí)別的新研究。模仿透射電子顯微鏡原理，通過采用X射線會(huì)聚鏡可以顯著提高空間分辨率。這一新技術(shù)被稱為暗場(chǎng)X射線透射顯微技術(shù)(Dark-Field Transmission X-Ray Microscopy)[39]。雖然空間分辨上仍然比透射電鏡略差，但是其優(yōu)異的穿透能力可以保證對(duì)塊體材料的研究。

暗場(chǎng)X射線透射顯微技術(shù)可以用來研究傳統(tǒng)材料中最小的結(jié)構(gòu)單元(亞晶、孿晶等)以及納米材料。由于這一技術(shù)是現(xiàn)有3DXRD技術(shù)的一個(gè)延伸，因此，該技術(shù)可以用來無損表征樣品內(nèi)的三維晶粒，包括其形貌、物相、取向和應(yīng)變狀態(tài)等。目前該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在對(duì)Al的回復(fù)、再結(jié)晶研究上[39-41]。由于X射線會(huì)聚鏡加工精度的局限，現(xiàn)有的空間分辨率在200 nm左右。在可預(yù)見的5年內(nèi)，有望將空間分辨率提高到30 nm，極限可以達(dá)到10 nm。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將大大拓寬其在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用，為未來的材料科學(xué)研究做出重要貢獻(xiàn)。

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(編輯 吳 琛)

Three-Dimensional X-Ray Diffraction Technique for Metals Science

ZHANG Yubin1, FAN Guohua2

(1.Department of Wind Energy, Technical University of Denmark, Roskilde 4000, Denmark)(2.School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The three-dimensional X-ray diffraction (3DXRD) is a new, advanced technique for materials characterization. This technique utilizes high-energy synchrotron X-rays to characterize the 3D crystallographic structure and strain/stress state of bulk materials. As the measurement is non-destructive, the microstructural evolution as a function of time can be followed,i.e. it allows 4D (x,y,zcharacterizations,t). The high brilliance of synchrotron X-rays ensures that diffraction signals from volumes of micrometer scale can be quickly detected and distinguished from the background noise,i.e. its spatial resolution can be micrometer scale and the measurement can be conducted within a reasonable time frame (a few hours). The 3DXRD microscope has originally been developed in cooperation between former Ris? National Laboratory and the European Synchrotron Radiation Facility. Currently, this technique has been implemented in several large synchrotron facilities,e.g. the Advanced Photon Source (APS) in USA and the Spring-8 in Japan. Another family of 3DXRD technique that utilizes white beam synchrotron X-rays has also been developed in parallel in cooperation between Oak Ridge National Laboratory and APS. This article reviews the 3DXRD technique. The content includes the idea behind the technique, the principle and specification (spatial, angular, temporal resolutions and sample environmentetc.) of the technique. Several applications of the techniques in metallurgy are given, including: grain-scaled stress analysis during tensile deformation, recrystallization growth kinetics, recrystallization nucleation, growth of individual recrystallized grain, grain growth after recrystallization, and local residual strain/stress analysis. The recent development of the 3DXRD technique and its potential use for materials science in the future will be briefly discussed at the end.

three-dimensional X-ray diffraction technique (3DXRD); crystallographic structures; microstructure; plastic deformation; recrystallization nucleation and growth; grain growth; local stress/strain analysis

2017-01-04

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51571070, 51571071)

張玉彬，男，1982年生，高級(jí)研究員，博士生導(dǎo)師，Email: yubz@dtu.dk

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.03.04

O657.3

A

1674-3962(2017)03-0181-07