王沿東，李潤光，聶志華，李時磊

1) 北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室，北京 100083 2) 丹麥技術大學機械系，孔恩斯靈比 DK-2800 3) 北京理工大學材料學院，北京 100081

金屬結構材料作為最重要的工程材料，其強度、韌塑性、成型性和機械疲勞等力學行為決定于微觀組織，包括構成相的晶體結構、相體積及分布、取向分布（織構）及晶粒尺寸等微觀參量.金屬結構部件的加工、裝配及使役行為受控于材料的晶體結構與微觀組織，并與多尺度殘余應力密切相關.殘余應力是存在于材料和結構中的與外部載荷無關的“內在”應力，在材料或結構內部是自平衡的，即在整個體積內局部區(qū)域的應力和力矩之和為零.一般來說，應力可根據(jù)它平衡的尺度分成以下三類：第Ⅰ類應力是宏觀應力（Macrostress），分布于材料較大區(qū)域內（毫米范圍，可以是一個或很多晶粒）；第Ⅱ類應力是微觀應力，存在于微米范圍（多個晶?；蚨嘞辔^(qū)尺度），包括晶間應力（Intergranular stress）與相間應力（Interphase stress），從起源上劃分包括熱應力、塑性形變應力、相變應力，其中，晶間應力也被稱為晶粒取向相關應力（Grain-orientation-dependent stress）；第Ⅲ類應力由晶粒內部分布的位錯或其他點／線／面缺陷引起，作用尺度范圍從微米跨越至納米，一般起源于塑性形變或相變.一般來說，第Ⅱ類和Ⅲ類應力統(tǒng)稱微觀應力（Micro-stress）.第Ⅰ類應力，無論是單獨的殘余應力還是與外加應力疊加共同作用，都可導致微觀應力的產生.

工程部件在凝固、形變熱處理、焊接等制備成型過程中不僅發(fā)生微觀組織的演化，而且出現(xiàn)多尺度殘余應力場的變化并發(fā)生變形，而在服役過程中在外加（恒定或交變）載荷作用下，與多尺度殘余應力場疊加的復雜應力狀態(tài)往往導致工程部件的局域損傷，最終引起部件失效及災難性事故的發(fā)生.晶體結構與多尺度微觀組織／缺陷／應力場的演化貫穿于金屬材料與工程部件制備、加工、裝配及使役的全鏈過程中，決定了材料使役行為及部件終端產品的服役安全.

高性能新型金屬結構材料設計的重要準則之一是如何突破現(xiàn)有材料固有強度與塑性（韌性）相互制約的關系.合金形變與強化機制的變化有助于改變強塑匹配關系，如交通領域應節(jié)能減排需求而大量使用的高強汽車用鋼，利用多尺度復相組織、孿晶、相變等強塑化機制，已將力學性能大幅提高突破至傳統(tǒng)高強用鋼性能范疇外.但結構材料形變與強韌化機制研究仍待深入，如何同時提高強度與塑性的物理冶金學基礎尚未完全建立，迫切需求先進結構、微結構及多尺度應力定量表征方法，以揭示工程材料制備與服役過程中晶體結構與多尺度微觀組織／缺陷／應力場的演化規(guī)律.

材料晶體結構與微觀組織表征方法最早可追溯到19世紀初使用光學顯微鏡觀察微觀結構的變化，隨后X射線衍射技術成為晶體材料結構與微觀組織研究的重要手段.材料結構表征的快速進展主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面，20世紀50年代透射與掃描顯微鏡的誕生與快速發(fā)展，為材料的局域結構表征分析注入了新的活力；另一方面，伴隨核物理與高能物理的進展，建立了中子源與同步輻射源等大科學裝置，作為多學科交叉研究的利器，為揭示物質科學微觀機制提供了重要工具.利用中子具有自旋磁矩與中子束深穿透等特征，中子散（衍）射技術提供了表征力、熱、磁、電等復雜多外場下物質微結構、磁結構演化的重要手段[1]，指導了新型磁熱電功能材料的發(fā)現(xiàn)和探尋.中國散裂中子源（Chinese spallation neutron source, CSNS）及兩座反應堆中子源中國先進研究堆（China advanced research reactor, CARR）和中國綿陽研究堆（China Mianyang research reactor, CMRR）的建成運行，使我國擁有了重要的中子科學綜合實驗裝置.第三代同步輻射光源——上海光源（Shanghai synchrotron radiation facility, SSRF）二期工程幾個譜儀的建成及在建的第四代同步輻射光源——高能同步輻射源（High energy photon source,HEPS）為中國提供了材料科學研究的同步輻射科學裝置.中子衍射與同步輻射高能X射線衍射（High energy X-ray diffraction，HE-XRD）技術有機結合，揭示了工程部件制備與服役過程中的多尺度微結構與應力演化規(guī)律，促進了結構材料熱、復雜載荷等環(huán)境下微觀力學與固態(tài)轉變原位研究，極大推動了材料設計與制備科學[2-3].基于同步輻射源的其他技術，比如微米／納米CT成像、白光微區(qū)衍射、X光吸收精細結構分析等，亦為金屬材料形變與相變等基礎問題的深入研究提供了重要支撐.由于篇幅限制，本文將主要評述基于衍射技術的中子和HE-XRD方法在工程材料晶體織構和多尺度應力定量表征、推動工程材料微觀力學研究方面的重要研究進展.

1 表征基本原理

衍射方法確定第二類應力是基于微觀力學模擬，與多方向不同{hkl}點陣應變演化的驗證獲得.相對于反應堆的恒定波長應力測量技術，散裂中子源時間飛行技術（Time of flight, TOF）在此方面更具優(yōu)勢，可以同時獲取多個{hkl}點陣畸變[5].微觀力學模擬包括考慮晶體彈塑性形變行為的自洽（Self-consistent, SC）模型[6-8]或晶體塑性有限元方法（Crystal plasticity finite element method, CPFEM）[9-10]等.另一種方法，是基于中子衍射測量獲得的點陣應變極圖，利用應力球諧級數(shù)法獲取應力取向分布函數(shù)（Stress orientation distribution function, SODF）[9]，直接獲取第二類應力.該方法是將織構定量分析的球諧級數(shù)法移用于應力分析，思路是：（1）定義一個與晶粒取向相關的應力分布函數(shù)——應力取向分布函數(shù)，采用低階廣義球諧級數(shù)展開式予以描述；（2）利用三維彈塑性模型給出約束條件，實測不同{hkl}點陣應變分布，求解約束條件下應變分布與級數(shù)系數(shù)相關聯(lián)的非線性方程，由之確定SODF的低階球諧級數(shù)的系數(shù).SODF分析術的優(yōu)點是：與晶粒取向相關的第二類應力被直接表達成函數(shù)分布的形式，克服了單值測算的困難；其從實測點陣應變分布獲得的應力分布，更有效反映了材料的真實應力狀況；變形中原位確定的SODF可以作為應力邊界條件引入織構的定量模擬，克服目前織構模擬中邊界條件的不確定性問題；借助于SODF分析術，不僅可以給出雙相材料的平均相間應力，而且可以得到與晶體取向相關的相間匹配應力的定量信息[8,11].

針對第三類應力測量，根據(jù){hkl}中子衍射半高寬分析可以獲得如平均位錯密度等具有統(tǒng)計意義的定性或半定量信息[12].這種分析方法，一方面受到中子倒空間應變分辨率與真實空間分辨率的限制，另一方面由于各種微觀缺陷多種排列方式產生的半高寬效應的不唯一性，很難通過中子衍射測量來準確定量描述.而通過與同步輻射微衍射（X-ray microdiffraction, μXRD）技術配合，可以獲得缺陷分布及第三類應力的準確信息，這方面研究仍在快速發(fā)展中[13].

2 裝置與表征方法發(fā)展

基于衍射的材料表征技術通常采用聚焦光路或平行光路.聚焦光路一般應用于實驗室X射線點光源，可以最大程度提高光子通量，適用于普通晶體結構分析和織構測量.近年來，科研人員成功開發(fā)了基于聚焦光的實驗室X射線衍射成像技術（Laboratory diffraction contrast tomography,LabDCT），實現(xiàn)了對多晶塊體材料三維晶體結構的表征[14-15].應力測量對射線源質量更加敏感，往往要求高質量的平行光.中子與同步輻射具有極佳的平行光幾何，特別適合應力測量.

2.1 中子源基的先進表征技術

20世紀80年代，國外學者首先在反應堆中子源上開展了關于金屬材料織構與殘余應力的研究，建立了專門應力與織構測量裝置.利用單色器或中子導管將反應堆中子源產生的連續(xù)波長中子聚焦成單一波長中子.由于應力與織構需要的真實空間（有效衍射幾何）與倒空間的應變分辨率不同，應力裝置與織構裝置一般分開構建.織構測量需要獲得衍射峰強度在極圖空間的分布，需要大的入射狹縫全覆蓋整個試樣（吸收比較弱），同時需要在高強度、低分辨模式下進行測量；應力測量需要較高的空間分辨率與倒空間應變分辨率，衍射峰峰位的精準確定需要高質量的衍射峰.也可以通過優(yōu)化調節(jié)入射／衍射狹縫及改變單色器分辨率，在同一裝置上實現(xiàn)應力與織構測量功能.

反應堆中子源上的應力與織構測量使用恒定波長中子束，探測器覆蓋的布拉格衍射角較小（單色器的聚焦幾何也決定很難使用大范圍覆蓋的探測器），固定探測器角度僅可收集有限數(shù)目衍射面的信息.對于面間距較大的晶面（具有較小衍射角），在點陣應變測量過程中很難將其有效衍射體積限定在一個合理范圍，導致測量精度很低.20世紀70年代末相繼建立散裂中子源（美國Intense pulsed neutron source (IPNS)和Los Alamos neutron science center (LANSCE)、英國 ISIS等），利用慢化器和中子導管聚焦的連續(xù)波長中子實現(xiàn)了應力與織構的高效研究.20世紀建立的美國Spallation neutron source (SNS)、日本 Japan proton accelerator research complex (J-PARC)散裂中子源上專門應力譜儀（分別為VULCAN和TAKUMI），由于通量極大提高，使用效率進一步提升及應力、溫度等外場環(huán)境的極大改善，可實現(xiàn)分鐘甚至秒級時間分辨，已開展大量與時間相關熱機械處理過程中組織與應力演化的研究工作.散裂中子源上專門應力裝置測試原理如圖1所示.一般說來，中子衍射方法獲得的點陣應變精度很高，達到50×10-6，但提供的空間分辨率在毫米尺度，通過專門的中子聚焦鏡與狹縫限定有望實現(xiàn)0.1 mm的一維空間分辨.

圖1 散裂中子源時間飛行中子衍射示意圖[16]Fig.1 Schematics of neutron time-of-flight diffraction techniques on pulsed neutron source[16]

我國工程材料中子散射研究起步較晚，20世紀在中國原子能科學研究院（原子能院）與中國工程物理研究院（中物院）建立的中子研究堆缺少專門應力與織構測量裝置.隨著中子科學研究裝置的發(fā)展及對工程材料應力與織構研究的迫切需要，21世紀初在原子能院建立的CARR和中物院核物理與化學研究所建立的CMRR上相繼建立了專門應力與織構譜儀.在綿陽堆上的應力譜儀分辨率等重要指標已達到世界先進水平，配備的500 kg載重臺為測量大型工程部件提供了保證，已經開展了部分基礎與工業(yè)應用研究.中國先進研究堆上的織構譜儀也已開展了一些重要核材料織構的研究.

需要指出，建立在散裂中子源的TOF技術對多尺度應力與組織研究更具特色，特別是對微觀力學與相變模型的驗證更具優(yōu)勢.但數(shù)據(jù)分析更加復雜，需要迫切解決多尺度應力及中子慢化器引起峰型不對稱相疊加引入的難題.包括單晶高溫合金在內的單晶材料應力測量與表征中子技術，也是亟待發(fā)展的一個重要方向.另外，布拉格邊（Bragg-edge或能量分辨）中子成像技術是一種相對較新的應力測量技術，能同時獲得大尺寸范圍的應力分布，但點陣應變的測量精度很難高于200×10-6.總之，應用中子技術研究材料與工程部件應力分布的相關實驗方法依然處于不斷發(fā)展中.

2.2 同步輻射源基的先進表征技術

1947年，在美國通用電氣實驗室的電子同步加速器上首次觀察到高能電子或正電子在高速曲線運動中沿軌道切線方向發(fā)射的電磁輻射，因此命名為同步輻射.后來稱產生和利用同步輻射的科學裝置為同步輻射光源.利用同步輻射X射線在晶體中產生的高質量衍射信號可以確定高精度的包括晶體結構信息在內的多種微結構參量，極大促進了相關學科的發(fā)展.第三代同步輻射源，包括歐洲同步輻射光源ESRF，美國先進光子源APS，日本大型同步輻射裝置Spring-8，能產生具有高亮度（光束強度較旋轉陽極X射線管高107以上）、低發(fā)散度、能量大于60 keV的高能X射線，其在金屬中的穿透深度相比實驗室X射線顯著提高.該特點使HE-XRD技術能夠在復雜條件（外加載荷、磁場、溫度場、高壓等）下對塊體單晶或多晶樣品進行原位研究.圖2(a)為HE-XRD原位拉伸實驗裝置的原理示意圖.通常借助一個（組）放置于樣品正前方的二維探測器（一般放在試樣后1 m以上距離）收集衍射信息，同時可根據(jù)需要對樣品進行各種平移、旋轉或傾斜操作.

圖2 基于同步輻射源基的先進表征技術.(a) 高能同步輻射衍射; (b) 微束衍射Fig.2 Advanced characterization techniques based on synchrotron radiation source: (a) high-energy X-ray diffraction; (b) X-ray microdiffraction

一般來說，同步輻射方法可實現(xiàn)點陣應變的測量精度在100×10-6，提供的空間分辨率在微米尺度.值得一提的是得益于特種聚焦鏡的發(fā)展，20世紀初科研人員應用基于反射原理同時具備消色差功能的Kirkpatrick-Baez（K-B）鏡組在同步輻射線站上成功實現(xiàn)了對白光或單色光的聚焦以獲得亞微米尺寸的X射線，使得μXRD實驗成為可能.進一步應用差分光柵X射線顯微術（Differential aperture X-ray microscopy, DAXM）對縱深方向的衍射信息進行解析，實現(xiàn)了對三維晶體取向及彈性應變的測量，極大擴展并提高了同步輻射表征的空間分辨率（第三代同步輻射光源微衍射表征系統(tǒng)的三維空間分辨率已達到亞微米級別），成為研究晶體材料局域應變和微觀取向分布的理想工具，在納米科學、環(huán)境科學、高壓科學、生物、考古等諸多領域有廣泛應用價值.Larson等[17]詳述了μXRD技術的實現(xiàn)原理及應用.該技術特別適合對樣品內部微區(qū)晶體取向，局部缺陷密度和彈性應變分布進行無損分析.圖2(b)為美國阿貢國家實驗室的先進光子源34 ID-E微衍射線站原理示意圖.

2.3 表征方法特點與優(yōu)勢

基于中子和同步輻射的表征技術由于具有深穿透、高平行度及高通量等特點，可實現(xiàn)對工程部件點陣應變/應力與取向的高精度三維表征.另外，中子譜儀與同步輻射線站內具有足夠的空間，易于設置溫度、應力等復雜多外場環(huán)境，可以原位研究形變與相變過程，揭示其微觀機制與驗證微觀力學參量.中子與同步輻射也具有各自特點：（1）中子衍射限定的有效體積大，即使對于數(shù)十微米晶粒尺寸的試樣，測量織構與應力的統(tǒng)計性也足夠好；同步輻射有利于研究幾個晶?；蚓Я炔烤钟蛐袨?，揭示梯度特征及相關微觀機制.（2）中子衍射的點陣應變測量精度稍高于同步輻射，二者均明顯高于實驗室X射線衍射.（3）同步輻射X射線光子通量比中子通量高幾個數(shù)量級，線站X射線分布率更高，測量時間更短（曝光時間一般在秒級，甚或可以達到毫秒級）；中子衍射應力測量時間一般為數(shù)分鐘或更長，但隨中子源功率增強、中子導管與裝置設計水平的提高及探測器的發(fā)展，測量時間有望控制在1 min內.（4）中子可以更好地分辨合金中所組成的化學周期表上近鄰元素或同位素，有利于研究特殊合金（如一些3d元素組成的高熵合金）長短程序在內的精細結構.

3 應用實例

3.1 工程結構材料

金屬結構材料是國家基礎工業(yè)發(fā)展的基石.對基礎金屬材料在外加載荷作用下的組織應力演化過程進行系統(tǒng)研究對指導工業(yè)生產和保障工程構件安全具有重要意義.以下借助對幾種常見結構材料的研究示例，對應用中子和同步輻射衍射技術進行形變研究的情況予以說明.

3.1.1 復雜微結構鋼鐵材料

對于鋼鐵材料，中子衍射與HE-XRD的研究內容主要集中在單相（鐵素體、奧氏體或珠光體）或多相（奧氏體／鐵素體或鐵素體／珠光體）組織演化與殘余應力分布[18]，形變過程中彈／塑區(qū)晶間與相間應力配分[8,19-20]，溫度與應力誘發(fā)馬氏體/貝氏體相變行為[21-22]等.其中，單相與多相合金各向異性應力配分（即取向相關應力或晶間應力）一直是研究者關心的熱點和難點問題[23].一方面，微觀應力測量對驗證鋼鐵材料的微觀力學模型非常重要，與形變及相變過程中織構演化密切相關，有助于通過該類應力的研究實現(xiàn)制備工藝的優(yōu)化；另一方面，微觀應力與宏觀應力的同時獲取可以為鋼鐵材料／工程部件質量、服役可靠性及失效評估標準制定提供基礎數(shù)據(jù).國外學者從實驗和模擬角度對此做了大量研究工作.實驗方面，微觀應力測量技術的發(fā)展主要得益于實驗技術，尤其是大科學裝置的進步.20世紀80年代，中子衍射技術即被應用于評估鋼鐵材料的殘余應力[24]，后來進一步被應用于金屬材料形變過程中力學行為的解析工作.如Tomota等[19,25-26]應用中子衍射技術原位表征了孿晶誘發(fā)塑性多相鋼、鐵素體-滲碳體鋼和IF鋼拉伸變形過程中的微觀應力演化；Daymond和Priesmeyer[27]，以及 Oliver等[28]借助中子衍射技術對鐵素體和滲碳體的彈塑性形變過程及馬氏體相變行為進行了解析.模擬方面，Lebensohn和Tomé最早開發(fā)了考慮晶間相互作用的黏塑性自洽模型用于預測單相材料多晶形變過程中的織構演化[6].該模型后來被推廣至多相材料，并可同時計算材料形變過程中的應力、應變配分情況，尤其在密排六方金屬材料如鋯合金、鎂合金等涉及織構演化及孿晶行為的相關課題中取得持續(xù)進展[29-32].這些工作為微觀應力分析技術的發(fā)展奠定了基礎.

21世紀初開始，筆者團隊聚焦典型鋼鐵材料形變過程中的微觀力學行為，率先應用基于透射幾何的HE-XRD和中子等先進原位表征技術開展了相關探索工作，先后在再結晶/形變織構[33]、取向相關應力[11,34-35]等方面取得一系列成果.其中針對雙相鋼DP980開展的原位微觀力學實驗，獲得了與拉伸方向呈不同角度的多相二維衍射數(shù)據(jù)，并使用引入體積權重的雙峰擬合方法，把相同晶體結構軟/硬相的疊加衍射峰分離為具有不同峰位和寬度的兩個函數(shù)，成功得到鐵素體和馬氏體各自的{200}衍射峰，進而獲得拉伸載荷作用下各相的點陣應變，首次實現(xiàn)了相同晶體結構軟/硬相應力配分的原位測量[36]，并結合彈塑性自洽模擬對形變過程中的應力/應變配分進行了解析.進一步通過約束光束尺寸和實時控制樣品位移將HEXRD表征技術的空間分辨維度擴展至一維或二維.例如，在中錳鋼中，通過原位 HE-XRD二維掃描揭示了Lüders帶周圍奧氏體組織的分布特征，證明了Lüders帶的傳播提高了奧氏體向馬氏體轉變的體積分數(shù)并顯著改變了奧氏體的力學狀態(tài)[37].

基于同步輻射的實空間三維表征則要借助于同步輻射μXRD技術.筆者團隊[38]以具有平面滑移特征的奧氏體不銹鋼疲勞為例，圍繞剪切帶微觀組織與局域應力狀態(tài)及載荷作用下的動態(tài)演化，利用具有亞微米分辨率的μXRD表征手段，通過單色光掃描解析與白光衍射分析相結合，首次實現(xiàn)了對晶粒內部疲勞剪切帶位錯結構引起的超大應力梯度與微小取向梯度的精確表征（圖3），建立了考慮剪切帶交互作用的疲勞損傷位錯新模型，揭示了剪切帶形成、交互并誘導微觀損傷的疲勞機理，實現(xiàn)了亞微米級的疲勞損傷評價.超大應力梯度只有“在位”測試才能被捕捉到，是疲勞損傷過程中普適性的“新”現(xiàn)象.該工作借助基于同步輻射的新技術補充并深化了對傳統(tǒng)微觀疲勞損傷理論的理解，對金屬材料的疲勞斷裂行為與壽命評估及高性能設計具有指導意義.

圖3 三維微束衍射技術表征不銹鋼疲勞組織[38].(a) 實驗示意圖; (b) 以羅德里格斯向量在LD、TD、ND方向分量表示的取向分布圖；(c) 應力分布圖Fig.3 Characterization of fatigued stainless steel microstructure by 3D μXRD technique[38]: (a) experimental schematic diagram; (b) orientation map in terms of components of the Rodrigues vector along LD, TD, and ND; (c) stress map

3.1.2 鈦合金

鈦合金具有低密度、低模量、高比強度、耐腐蝕等特性，在航空航天、生物醫(yī)學等領域具有廣泛應用價值，是新世紀材料研究的重點.其中Ti-Zr基合金由于其優(yōu)異的力學性能和良好的生物相容性而備受關注[39].針對典型Ti-Zr合金的基礎研究工作對指導相關產品研發(fā)具有重要意義.溫軋態(tài)Ti-30Zr-10Nb (Ti3010)合金在拉伸過程中表現(xiàn)出一種有趣的“雙屈服”現(xiàn)象，如圖4(a)所示，即合金在第一個屈服階段加工硬化率較大且呈現(xiàn)波浪狀變化，第二個屈服階段拉伸應變較大（～13.5%）且加工硬化率極低.借助HE-XRD原位實驗技術，基于對不同應變狀態(tài)下采集的HE-XRD二維衍射信號的系統(tǒng)分析（圖4(b)～(d)），成功解釋了該“雙屈服”現(xiàn)象的微觀機理：第一個屈服歸因于合金中發(fā)生應力誘發(fā)馬氏體相變及馬氏體與基體的彈性交互作用；第二個屈服則是由于合金中發(fā)生了可逆的馬氏體再取向，表現(xiàn)為在加載方向出現(xiàn)了(110)α''衍射峰，并發(fā)現(xiàn)馬氏體的再取向過程伴隨～23°的晶格旋轉，[110]α''軸轉向了拉伸方向[40].該工作系統(tǒng)分析了馬氏體相變和再取向對β鈦合金力學性能的影響機制，為β鈦合金力學性能和加工性能的提升提供了理論和實驗依據(jù).

圖4 Ti3010合金拉伸力學行為的HE-XRD研究[40].(a) 應力/硬化率-應變曲線；(b) 不同外加應力下的二維衍射圖Fig.4 Mechanical behavior and HE-XRD studies of the microstructure for Ti3010 alloy under tension[40]: (a) uniaxial tensile true stress-strain curve with the strain hardening rate of the Ti3010 alloy; (b) 2D HE-XRD patterns at different stresses

3.1.3 高溫合金

鎳基高溫合金是航空發(fā)動機部件的關鍵材料，經固溶及時效處理后，一般獲得無序固溶體（γ相）中規(guī)則分布的共格有序金屬間化合物（γ'相）雙相組織.不同相之間熱膨脹系數(shù)的差異使得材料內部產生熱應力，在使用過程中引起變形，另外析出相的演化及分布嚴重影響γ/γ'相錯配度及其熱膨脹行為，進一步影響構件服役過程中的熱機械性能.國外學者就此做了大量研究工作，如Kelekanjeri等[41]借助同步輻射超小角X 射線散射技術對γ'析出相的產生及粗化過程進行了定量表征；Jaladurgam等[42]對不同γ'相體積分數(shù)的鎳基高溫合金形變行為進行了原位研究，討論了不同應力配分行為背后的物理機制，并通過彈塑性自洽模型進行了驗證.筆者團隊[43]應用HE-XRD技術原位研究了鎳基高溫合金Waspaloy加熱過程（29～1050 °C）中不同相（包括 γ、γ'、碳化物等）的演化，系統(tǒng)討論了包括γ/γ'晶格錯配、析出相回溶及熱膨脹行為，發(fā)現(xiàn)γ基體相對較高的線膨脹系數(shù)使得晶格錯配度隨溫度升高不斷減小，γ'相和M23C6碳化物在加熱過程中存在回溶，當溫度降至室溫時又重新析出，證明了M23C6溶解對基體晶粒生長的促進作用.相關結果有助于高溫合金熱處理工藝參數(shù)的進一步優(yōu)化.

3.2 熱彈馬氏體相變

基于外場（磁場、應力場）驅動的熱彈性馬氏體相變，表現(xiàn)出十分豐富的物理效應，如超彈性，形狀記憶、磁致伸縮、磁卡、彈卡等效應，在航空航天、機械電子、能源環(huán)境、信息存儲、生物醫(yī)學等高新技術領域有著廣泛應用.熱彈馬氏體相變研究中的一個關鍵問題是闡明宏觀物理效應與微觀結構基元的關聯(lián).20世紀80年代，Webster等利用中子粉末衍射技術研究了化學計量比Ni2MnGa合金的晶體結構和相變過程，確認了合金高度有序的L21結構及溫度誘發(fā)的可逆馬氏體相變[44].Brown等利用高分辨中子粉末衍射技術研究了化學計量比Ni2MnGa合金的預馬氏體相變過程[45].利用中子束對鄰近元素高分辨的特征，各國學者使用中子粉末衍射技術精確給出了非化學計量比Ni-Mn-Ga合金中Ni、Mn原子在晶胞中的占位信息[46-49].中子散射技術是利用中子與聲子的非彈性散射來確定晶格振動色散關系的一種實驗方法.Zheludev等利用非彈性中子散射技術測量出聲子色散曲線，發(fā)現(xiàn)了化學計量比Ni2MnGa合金[ζζ0] TA2聲子的反常軟化現(xiàn)象[50-51].除此之外，國內團隊利用中子散（衍）射技術和HE-XRD技術，在外場輔助熱彈馬氏體相變、窄滯后熱彈馬氏體相變和大熵變熱彈馬氏體相變等方面開展了大量研究工作.

3.2.1 外場輔助熱彈馬氏體相變

形狀記憶和磁致伸縮效應與馬氏體變體去孿晶過程密切相關.筆者團隊[52-53]利用中子衍射和HE-XRD技術，原位研究了Ni-Mn-Ga合金相變過程中及馬氏體狀態(tài)下單軸壓縮形變過程，分析了包括變體分布與晶間應力在內的微觀結構單元隨單軸載荷的演化規(guī)律，如圖5所示.原位實驗結果闡明了加載-卸載過程中樣品內馬氏體孿晶變體擇優(yōu)取向狀態(tài)的演變，據(jù)此構建了馬氏體孿晶變體去孿晶過程中晶粒擇優(yōu)生長的晶體學模型.除此之外，利用HE-XRD原位實驗方法，證實了磁場“訓練”可在Ni-Mn-Ga合金馬氏體變體間產生殘余應力，給出了殘余應力輔助磁場驅動去孿晶的直接實驗證據(jù)[54].

圖5 中子衍射和高能X射線衍射原位實驗研究馬氏體變體去孿晶過程.(a)中子衍射實驗; (b) 高能X射線衍射實驗; (c) 取向相關畸變能Fig.5 In-situ neutron diffraction and HE-XRD studies on detwinning behavior of martensites: (a) neutron diffraction experiments; (b) HE-XRD experiments; (c) orientation-dependent distortion energy

3.2.2 窄滯后熱彈馬氏體相變

具有熱彈馬氏體相變的合金在外力作用下可以產生遠大于彈性極限應變量且可以自動恢復的應變，這種行為稱為超彈性行為.基于一階馬氏體相變或者弱一階相變的超彈性行為，應力-應變曲線表現(xiàn)出較大的滯后現(xiàn)象，限制了其工程應用.研究人員通過微觀組織結構調控，相繼開發(fā)出NiTiNb復合材料、NiTiCu復合材料、NiCoFeGa單晶纖維材料等結構功能一體化材料，實現(xiàn)了窄滯后、寬溫域、大彈性、高應力的綜合特性[55-59].

中國石油大學（北京）崔立山團隊Hao等[60]利用NiTi形狀記憶合金的點陣切變變形特點，將其與超高強度Nb納米線復合，在NiTiNb復合材料中實現(xiàn)了超大彈性應變（6%）和超高屈服強度（1.65 GPa）.該團隊采用原位HE-XRD研究了Nb納米線及NiTi基體的變形及相變行為，如圖6所示.母相態(tài)NiTi基體在拉伸過程中發(fā)生了應力誘發(fā)馬氏體相變（B2→B19'）.Nb納米線在拉伸過程中一直發(fā)生彈性變形，應變值達4%～6%.外界施加的應力通過NiTi基體可有效傳遞給高強度Nb納米線，使得復合材料呈現(xiàn)出超高強度和窄滯后特征.

圖6 HE-XRD原位實驗研究NiTiNb復合材料[62].(a) 應力-應變曲線; (b) 高能X射線二維衍射花樣; (c) 不同應力狀態(tài)下的一維衍射花樣; (d) 晶格應變-宏觀應變曲線Fig.6 In-situ HE-XRD study on NiTiNb composite materials : (a) stress-strain curves; (b) 2D HE-XRD patterns; (c) 1D HE-XRD patterns at different stresses; (d) lattice-strain vs macro-strain curves

筆者團隊[61]采用熔融紡絲法制備出長度達米級的NiCoFeGa單晶纖維.該合金纖維在室溫下具有高達15.2%的零滯后彈性形變，1.5 GPa的超彈應力，且其超彈性能在123～423 K溫域內基本不隨溫度變化.利用HE-XRD、中子散射和高分辨掃描透射電鏡等先進材料表征方法，揭示了這種寬溫域零滯后超高彈性行為的物理機制，如圖7所示.對于Co20纖維，(004)A衍射峰的峰位隨著宏觀應變的增加而連續(xù)移動，表明材料的零滯后彈性形變源于應力作用下的連續(xù)相轉變.連續(xù)轉變的物理機制源于一種新型的“原子尺度的有序無序糾纏結構態(tài)”導致的一階馬氏體相變被抑制，從而演化為微觀連續(xù)相變（屬于二級或高級相變）.

圖7 高能X射線衍射原位實驗研究NiCoFeGa單晶纖維[63].(a) Co10和Co20合金纖維的加卸載力學曲線; (b) Co10和Co20合金纖維拉伸過程中(004)A衍射峰演化; (c) Co20合金纖維不同溫度下的加卸載力學曲線; (d) Co20合金纖維循環(huán)加卸載8000周力學曲線; (e) HAADF反傅里葉變換圖像顯示L21相（品紅色）和類ω相（紅色）Fig.7 In-situ HE-XRD study on NiCoFeGa single crystal fiber: (a) loading-unloading stress-strain curves of Co10 and Co20 fibres; (b) variation in the dspacing corresponding to the (004)A crystal plane during loading-unloading cycles for Co10 and Co15 fibres; (c) loading-unloading stress-strain curves of Co20 fibres at different temperatures; (d) cyclic loading-unloading stress-strain curves for 8000 cycles; (e) IFFT of the HAADF image showing more distinguishable L21 (magenta ellipses) and ω-like (red ellipses) structures

3.2.3 大熵變熱彈馬氏體相變

基于應力誘發(fā)馬氏體正（逆）相變放（吸）熱的固態(tài)彈熱制冷技術，具有環(huán)境友好、節(jié)能高效等優(yōu)點，已成為最有希望取代傳統(tǒng)氣體壓縮的新型制冷技術.彈熱制冷能力與彈熱材料的質量和熵變成正比，研制具有大彈熱效應、易于大規(guī)模制備的多晶塊體合金是彈熱材料研究領域的一大挑戰(zhàn).北京科技大學Cong等[62]采用“相變前后晶胞體積變化越大相變熵變越大“的設計思路，并利用硼微合金化強化晶界克服合金晶界脆性，設計并研制出具有龐彈熱效應的NiMnTiB多晶塊體合金.采用HE-XRD原位表征方法證實應力可以誘發(fā)完全可逆的馬氏體相變，通過比較母相和馬氏體的晶胞參數(shù)，發(fā)現(xiàn)相變前后材料的晶胞體積變化量高達1.89%.

3.3 新型結構材料

近年來新興的結構材料如高熵合金、異構材料等往往具有復雜的微觀結構并表現(xiàn)出特殊的力學行為，對傳統(tǒng)材料表征技術提出了新的挑戰(zhàn).中子和同步輻射先進表征技術在該類復雜結構材料的研發(fā)和性能分析中往往能起到關鍵作用.如Lee等[63]應用HE-XRD和中子衍射技術對NbTaTiVZr高熵合金中原子尺度點陣畸變誘發(fā)的強化作用進行了討論，證明了高熵合金特有的嚴重點陣畸變是其優(yōu)異力學性能的核心因素；Gordon等[64]應用HE-XRD技術對塊體單相高熵合金拉伸過程中晶粒的彈性變形、晶格旋轉和臨界分切應力進行了定量表征，實驗數(shù)據(jù)與晶體塑性有限元模擬數(shù)據(jù)的不匹配說明了多晶高熵合金形變過程的復雜性.筆者團隊[65]制備了一種成分為Fe22Co20Ni19Cr20Mn12Al7的新型雙相高熵合金，獲得了1430 MPa的抗拉強度和19.9%的室溫塑性.結合TOF中子衍射和HE-XRD技術原位研究了該合金在室溫和77 K下形變過程中的微觀力學行為，發(fā)現(xiàn)拉伸過程中體心立方相存在巨大晶格畸變（{200}晶面彈性應變分別高達7.0%和5.6%）.該晶格畸變歸因于一種新型應力誘導受限馬氏體相變，本質上源于納米尺度連續(xù)分布的有序—無序轉變.

共晶高熵合金（Eutectic high entropy alloy，EHEA）是近年來發(fā)展起來的新型多主元層狀復合材料，具有優(yōu)異的綜合力學性能.上海大學鐘云波團隊Shi等[66]采用定向凝固技術制備出一種具有多級共晶層片結構的魚骨共晶高熵合金（圖8(a)和(b)），成功協(xié)調了裂紋容限和高伸長率之間的矛盾，獲得超高斷裂韌性.筆者團隊應用HE-XRD技術對該材料拉伸過程中L12和B2相的應力配分情況進行了解析，形變樣品的二維衍射圖和應力配分情況分別如圖8(c)和(d)所示.該結果對這種特殊的相間協(xié)同變形作用，即硬相B2層片中萌生高密度微裂紋作為應變補償者改善材料塑性，軟相L12層片中形成高密度多組態(tài)位錯和微帶增強加工硬化，提供了關鍵證據(jù).

圖8 共晶魚骨高熵合金及其HE-XRD原位表征.(a) 定向凝固組織SEM圖; (b) L12和B2相分布（左）及反極圖分布（右）；(c) ～48%拉伸變形后的二維衍射圖；(d) 拉伸過程中的應力配分[66]Fig.8 Hierarchically arranged herringbone EHEA microstructure and in-situ HE-XRD characterization: (a) SEM backscatter electron image showing that the microstructure is composed of columnar grains; (b) electron backscattering diffraction phase map (left) and inverse pole figure map (right); (c) selected 2D X-ray diffraction images along the full azimuthal angle (0° to 360°) at the tensile strain of ～48%; (d) real-time stress partitioning of B2 and L12 phases during tensile loading

近年來，隨著同步輻射相關技術的進一步發(fā)展，HE-XRD的空間分辨率在介觀尺度上得到了顯著提高，為復雜結構材料的研究帶來了新的機遇.以異質結構材料為例，其變形過程中不同組織微區(qū)之間的載荷配分對于理解其形變機制具有重要意義.最近，Li等[67]通過控制狹縫尺寸，設計了具有一維空間分辨的HE-XRD實驗，原位研究激光沖擊純鈦變形過程中梯度組織的應力響應行為，首次表征了該種梯度材料在單軸拉伸過程中復雜的局部應力演化，揭示了梯度材料的加工硬化增強和機械不穩(wěn)定性的起源.HE-XRD技術同樣適用于研究多相梯度材料形變過程中的復雜組織、應力演化行為.中國科學院力學研究所魏宇杰團隊Ma等[68]應用類似方法量化了通過低溫預扭轉360°制備的304不銹鋼梯度材料中的三個組成相在室溫拉伸過程中的晶格應變分布及演化，揭示了面心立方（Face-centered cubic: FCC）、體心立方（Body-centered cubic: BCC）和密排六方（Closepacked hexagonal: HCP）相在不同位置表現(xiàn)出的不同應變硬化行為.上述典型應用示例表明，具有空間分辨能力的HE-XRD技術在研究具有連續(xù)梯度的異質材料時具有明顯優(yōu)勢.基于德拜環(huán)的深度分析往往可以得到其他傳統(tǒng)表征技術難以獲得的兼具統(tǒng)計性與實/倒空間分辨率的有關局域微觀結構和應力狀態(tài)的關鍵信息.

3.4 工程部件

自1996年開始，發(fā)達國家及國際組織相繼啟動了使用中子衍射技術測量關鍵工程部件殘余應力的多項科研計劃，包括由美國與西歐國家組織、日本參與的VAMAS-TWA20計劃、歐盟組織的RESTAND及TRAINSS計劃.以上計劃的目的是制定一種基于中子衍射準確、可靠地測量及評估關鍵工程部件殘余應力的技術標準.目前，包括美國洛斯阿拉莫斯中子科學中心、橡樹嶺國家實驗室、美國國家標準與技術研究院、英國Rutherford-Appleton國家實驗室（ISIS）、法國勞厄-朗之萬研究所在內的國家實驗室或研究中心皆將中子衍射殘余應力測量技術列為材料工程研究的重點課題[1].

以航空發(fā)動機葉片和渦輪盤為代表的關鍵工程部件制造工藝復雜，成品零件中殘余應力很難完全消除.在服役過程中高溫和復雜載荷作用下殘余應力將導致承載能力下降、疲勞壽命降低和超預期的變形，甚至引發(fā)災難性事故.中子散射技術和HE-XRD技術的快速發(fā)展，使得在近服役環(huán)境下原位測量、表征和評價關鍵工程部件的多尺度組織/應力及服役損傷行為成為可能.筆者團隊利用中國綿陽研究堆中子源、中國散裂中子源和上海光源，與中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所合作對發(fā)動機渦輪機匣、單晶葉片、整流支板等部件內部三維殘余應力進行測量評估，為航空發(fā)動機的排故工作及構件內部殘余應力控制提供重要支撐；與中國航發(fā)北京航空材料研究院合作，系統(tǒng)研究了新型鎳基粉末高溫合金渦輪盤模擬件在熱形變和熱處理過程中三維殘余應力的演化及影響因素[69]，為優(yōu)化粉末渦輪盤的制備工藝和評價其服役損傷行為奠定了基礎.

鋁合金及鋁基復合材料由于具有高比強度，被廣泛應用于航空、航天領域的重要結構部件.一方面，中子束可以穿透400 mm厚的鋁合金及鋁基復合材料（以Al/SiC為主）；另一方面，鋁基復合材料相間殘余應力對其力學性能及服役行為影響很大.因此鋁基復合材料是早期中子衍射殘余應力測量方法的重要研究目標之一.Fitzpatrick等[70]利用反應堆中子源，研究了淬火后Al/SiC復合材料厚板的三維應力分布.中子測量的應力分布，可以直接同解析計算或數(shù)值模擬方法模擬的宏觀殘余應力及不同相的分布比較，為復合材料熱處理工藝制定和服役評估提供指導.

焊接殘余應力是焊接工程研究領域的重點問題，主要是焊縫金屬熔化后再凝固、冷卻收縮受到約束而產生的熱應力.中子衍射是研究焊接部件殘余應力強有力的工具，諸如三維空間分布和應力張量的詳細信息都可以從中子衍射測量中提取.中子衍射技術可用于研究各種具有不同的材料組合、焊接參數(shù)和幾何形狀的焊接試樣中的殘余應力，并與有限元模型進行互驗[71].

4 總結與展望

包括中子與同步輻射在內的衍射技術，可以在形變過程中原位研究動態(tài)微觀力學行為，具體包括晶粒旋轉、多尺度應力配分、相變與孿晶作用機制等.對于高熵合金及大塊非晶合金等新型合金材料，中子散射技術在對原子尺度結構不均勻性及制備、形變過程中的演化規(guī)律等方面的研究上，更具特色.即使在如形狀記憶合金等相變功能材料研究方面，中子衍射技術也將在相變行為與功能行為研究方面起到重要作用.一方面，中子衍射（散射）與同步輻射技術是工程材料復雜過程組織演變與微觀力學／工程部件服役安全行為研究的重要手段，衍射方法的發(fā)展為先進微觀力學模型驗證提供了重要工具；另一方面，中子與同步輻射技術可以定量揭示新型合金材料的形變與相變機制，極大推動新型工程材料的發(fā)現(xiàn)，并指導其成分設計與制備工藝優(yōu)化.

在實驗表征方法及相關數(shù)字模擬方面，主要研究展望如下：

（1）具有高空間分辨率的合金晶體長／短程結構序分布的原位表征技術.

基于中子與同步輻射源正在發(fā)展的衍射、漫散射及微區(qū)衍射／譜學等多種先進方法，結合透射電子顯微鏡與三維原子探針等其他先進表征手段，發(fā)展跨越納米到毫米尺度的原位表征技術，用以揭示化學與晶體結構長／短程序的分布規(guī)律，服務于先進結構材料與功能材料的設計與制備.

（2）基于中子和同步輻射原位實驗的多尺度應力與微觀組織的表征與模擬.

基于中子/同步輻射獲得的邊界條件與應力及組織信息數(shù)據(jù)庫，發(fā)展先進的多尺度甚至全尺度力學各向異性模型，并充分利用目前普及的計算機集群技術，有望揭示真實溫度與應力作用下跨尺度的微觀組織單元演化，特別是有關應力/應變配分變化，從而解析材料的彈塑性非線性微觀力學行為，并闡明復雜多尺度應力場演化引起的各種疲勞、斷裂機制/模式變化的物理機制.

（3）材料加工制備與服役過程中多尺度應力表征技術及工程部件服役可靠性評價.

以高溫合金、鈦合金等渦輪盤制備所需的關鍵材料與部件為例，利用中子與X射線應力分析技術，實現(xiàn)制備、加工、表面強化與服役中多尺度應力／微觀組織演化的無損表征，結合微觀力學模擬，開展溫度環(huán)境下多向加載疲勞、蠕變等近真實服役條件下材料與工程部件的準確壽命評估.