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在金屬材料領(lǐng)域，有一個(gè)關(guān)系一直被人們研究和利用，那就是成分-組織-性能關(guān)系。認(rèn)識清楚了該關(guān)系，人們就知道了該如何制備更好的材料。為此，人們不斷探索新的表征方法，幫助認(rèn)識材料的微觀組織，揭示這一重要關(guān)系。 

 

近百年來，科研人員聚焦金屬材料組織結(jié)構(gòu)的表征，發(fā)展起來了光學(xué)顯微鏡、激光共聚焦、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等。通過材料截面的拋光與腐蝕，呈現(xiàn)金屬的微觀組織結(jié)構(gòu)并采用顯微鏡觀察和記錄。 

 

即使在科技比較發(fā)達(dá)的今天，人們在分析金屬材料的微觀組織結(jié)構(gòu)時(shí)大多還是大多使用二維圖像。然而，隨著人們對問題的認(rèn)識不斷深入，越來越希望了解材料微觀組織結(jié)構(gòu)的三維特征，甚至?xí)r間特征。于是多種層析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認(rèn)識和表征微觀組織的特征。 

 

一些特別的科學(xué)問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時(shí)間和溫度場等。由于問題的復(fù)雜性，直到今天，人們也沒有完全認(rèn)識和徹底呈現(xiàn)凝固過程中的微觀組織演化。

 

 科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發(fā)生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競爭力的手段。

 

何為同步輻射

 

 在過去的幾年里，材料研究的前沿領(lǐng)域取得了迅速的進(jìn)展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強(qiáng)大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴(kuò)大我們對材料前沿的基本理解。 

 

同步輻射是相對論和超相對論電子在磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的輻射，是高能天體物理學(xué)中的主要過程。它最初是在早期的電子感應(yīng)加速器實(shí)驗(yàn)中觀察到的，在實(shí)驗(yàn)中電子首先被加速到超相對論能量，加速器發(fā)出強(qiáng)大X射線輻射。同步輻射的高亮度、高方向性和能量可變性使其具有不同于其它X射線源的特性，是材料科學(xué)研究和材料開發(fā)的重要工具。 

 

圖1 同步輻射產(chǎn)生原理和使用方法 

 

圖1說明了同步加速器產(chǎn)生同步輻射的概況。20世紀(jì)80年代使用的同步輻射是用彎曲的電磁鐵沿著圓形路徑彎曲離子而發(fā)出的。自20世紀(jì)90年代以來，一種被稱為波動器的磁路被用來主動振蕩電子路徑，創(chuàng)造了一種利用干涉效應(yīng)提取強(qiáng)X射線的技術(shù)。 

 

在同步加速器裝置上可以開展許多不同的實(shí)驗(yàn)，例如利用材料特有的X射線衍射/擴(kuò)散效應(yīng)來檢驗(yàn)材料結(jié)構(gòu)的衍射/擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)；通過檢驗(yàn)材料吸收和發(fā)射的X射線的波長來獲得材料電子狀態(tài)和鍵合狀態(tài)等信息的光譜實(shí)驗(yàn)；以及利用X射線穿透材料的特性進(jìn)行X射線攝影或其他成像實(shí)驗(yàn)。 

 

帶來了各種各樣的成像顯微鏡（例如相位對比顯微鏡、樣品中元素成分的微熒光成像、樣品中原子化學(xué)狀態(tài)的微EXAFS或近邊緣光譜成像，當(dāng)然還有微衍射分析）。 

 

除了眾所周知的X射線顯微術(shù)、透射X射線顯微層析成像和X射線全息照相技術(shù)外，用于獲得微米級物體的三維真實(shí)空間圖像的分辨率或更好。 

 

根據(jù)Liouville定理，除非使用高亮度X射線源，否則無法在如此小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)如此高的光子強(qiáng)度，這就是為什么新型同步輻射源能夠在此類研究中實(shí)現(xiàn)量子躍遷。 

 

金屬的凝固組織是由成分控制并影響其性能。準(zhǔn)確把握金屬凝固組織的形成機(jī)理、控制因素和控制途徑，有利于材料組織結(jié)構(gòu)的精確控制和設(shè)計(jì)，提高材料的綜合性能，優(yōu)化金屬的性能。 

 

由于凝固組織不透明以及凝固過程中的高溫環(huán)境，傳統(tǒng)的表征技術(shù)如金相顯微鏡觀察無法動態(tài)、完整地觀察整個(gè)凝固過程。凝固過程中的一些關(guān)鍵信息很難全面捕捉。 

 

高能X射線的出現(xiàn)和發(fā)展為研究合金凝固組織提供了一種新的表征方法。特別是同步輻射原位成像技術(shù)的應(yīng)用，使得實(shí)時(shí)觀察金屬凝固過程的動態(tài)演變成為可能，也成為打開認(rèn)識金屬結(jié)晶之門的鑰匙。 

 

同步輻射高能輻射與可見光和X射線一樣，屬于電磁輻射，但不同的是，它是由電子在磁場中以接近光速的曲線運(yùn)動在同步輻射中產(chǎn)生的。與傳統(tǒng)光源相比，同步輻射中的高能X射線具有能量強(qiáng)、亮度高、穿透性好等特點(diǎn)，能夠滿足金屬枝晶生長實(shí)時(shí)動態(tài)成像觀測的要求。目前，同步輻射原位成像技術(shù)已成為實(shí)時(shí)動態(tài)觀察金屬合金凝固組織生長行為的重要手段。

 

錫鉍合金凝固行為

 

低熔點(diǎn)錫鉍和錫鉛合金廣泛應(yīng)用于機(jī)械、航空、汽車和其他工業(yè)領(lǐng)域。枝晶是凝固過程中最常見的形態(tài)特征。對于低熔點(diǎn)合金，由于凝固溫度相對較低，其微觀結(jié)構(gòu)易于觀察。利用同步輻射原位成像技術(shù)對這些合金的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，可以獲得動態(tài)枝晶生長、斷裂和轉(zhuǎn)變等一系列微觀組織演化過程。這些信息對預(yù)測合金的力學(xué)性能具有重要的指導(dǎo)作用。 

 

圖2 （a）錫鉍合金枝晶生長競爭（b）錫鉍合金柱狀晶等軸晶轉(zhuǎn)變（c）錫鉍合金枝晶臂斷裂現(xiàn)象。

 

基于歐洲同步輻射設(shè)施（ESRF），Mathiesen等人成功地獲得了錫鉍和錫鉛二元合金微觀組織生長的二維圖像。在合金凝固過程中，觀察到柱狀晶等軸晶轉(zhuǎn)變、枝晶臂斷裂、自由枝晶和新枝晶的一系列形態(tài)演變和動態(tài)生長行為。這項(xiàng)研究是利用同步輻射成像技術(shù)研究低熔點(diǎn)合金凝固的開創(chuàng)性工作。 

  

鋁銅合金凝固行為 

 

鋁合金等金屬結(jié)構(gòu)材料在航空、航天、汽車、電子、機(jī)械、國防等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。鋁合金凝固組織的微觀結(jié)構(gòu)直接影響鋁合金構(gòu)件的力學(xué)性能。同步輻射原位成像技術(shù)是觀察合金組織演變過程的重要手段，為研究合金凝固過程中組織演變開辟了一條新的途徑。 

 

Mathiesen和Arnberg利用歐洲同步輻射裝置（ESRF）研究了Al-30wt%Cu合金的生長過程，共晶界面的法向沿水平方向變化不大，表明等溫溫度與所施加的熱梯度并不完全垂直。由于溫度梯度的方向與重力方向平行，生長峰幾乎在同一水平線上。在凝固過程中，液固相對射線吸收的差異為成像提供了良好的對比度。利用這種不同的對比度，可以直接觀察到柱狀枝晶生長前沿的溶質(zhì)。在CET轉(zhuǎn)變過程中，當(dāng)凝固方向與重力方向相反時(shí)，枝晶臂容易發(fā)生斷裂，斷裂的枝晶臂在液相中繼續(xù)生長，阻礙了柱狀晶體的生長。 

 

Zimmermann等人和Rakete等人研究了Al–10%Cu合金定向凝固過程中晶粒結(jié)構(gòu)的形成。他們發(fā)現(xiàn)這些碎片連續(xù)地從枝晶尖端區(qū)域分離，并在它們生長之前緩慢地移動到固液界面。由于碎片和周圍熔體之間的密度差很小，碎片會過度生長。結(jié)果，在低固化速率的大尺寸三維樣品中出現(xiàn)等軸晶體生長。

 

圖3  X射線照片顯示，在平行于重力的定向凝固過程中，在鋁–30 wt%銅中，平面共晶和柱狀枝晶生長。（a）t0+4.5s時(shí)的液體成分等值線圖；（b）從左到右枚舉的共晶前沿和柱狀尖端1到3的速度；（c）整個(gè)視頻序列上二維固液界面投影的時(shí)間演化。

 

圖4  顯示覆蓋在視場上的提取顆粒區(qū)域包絡(luò)的圖像分析算法。藍(lán)色等高線顯示了時(shí)間顆粒包絡(luò)的演化。星形虛線表示等軸晶核和初生臂生長方向。

 

圖5  熱梯度G=48k mm-1，無外部PEMF，Al-15wt%Cu凝固過程中的碎片圖。在每個(gè)圖像中，30 s時(shí)間幀內(nèi)的碎片事件的位置由黃色圓圈標(biāo)識。 

 

基于第三代同步輻射源的同步輻射二維/三維成像技術(shù)迅速發(fā)展，高分辨率的實(shí)時(shí)、原位、動態(tài)和非破壞性表征能力揭示了柱狀等軸轉(zhuǎn)變、等軸晶自由生長、柱狀晶定向生長、枝晶臂斷裂和解離以及枝晶間競爭生長等現(xiàn)象。這些成像結(jié)果不僅為驗(yàn)證金屬合金凝固理論提供了直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而且為進(jìn)一步完善和豐富凝固理論提供了技術(shù)支持。 

 

因此，利用同步輻射成像技術(shù)對晶體的形貌、溶質(zhì)分布、生長速率等方面進(jìn)行分析，可以獲得大量的精確數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是后分析方法無法獲得的。目前，同步輻射成像技術(shù)已成為研究凝固過程最先進(jìn)、最有力的工具。 

 

鎂合金凝固行為  

 

圖6  一系列X射線照片中拍攝的圖像顯示了在T=0.0125K/s的近等溫條件下，Elektron21合金中α-Mg初生相隨時(shí)間的演化過程。最初的α-Mg枝晶看起來很亮，而次級形態(tài)則明顯較暗。液相的灰度值與它的組成有關(guān)，在液相中，溶質(zhì)濃度的增加使圖像像素變暗。標(biāo)有I、II、III和IV的區(qū)域代表出現(xiàn)形態(tài)不同結(jié)構(gòu)的空間位置。

 

 

 圖7  同步輻射X射線斷層掃描重建hcp-a-Mg枝晶的生長模式。（a）（b）從不同角度顯示了多枝晶的三維生長模式，（c）顯示了hcp-a-Mg枝晶晶粒的典型三維形貌，（e）（f）分別從<0001>、<1010>和<1120>顯示了枝晶形貌。（g）顯示了通過EBSD實(shí)驗(yàn)分析的hcpa-Mg枝晶的首選生長方向。

 

鈦合金凝固行為 

 

圖8顯示了Ti64_900C_-HT條件在24小時(shí)老化后的明場STEM圖像，并附有能量色散譜（EDS）圖，表明這些細(xì)化沉淀物貧于β穩(wěn)定元素V和Fe，富含Ti和Al，因此由極為精煉的二次α板條組成。 

 

時(shí)效前Ti64_900C_HT組織中未觀察到這種特征。這些結(jié)果表明β分解為二次α相發(fā)生在時(shí)效過程中，類似于熱等靜壓后合金退火過程中觀察到的情況。 

 

必須強(qiáng)調(diào)的是，這些沉淀物在老化后沒觀察到。這種差異可能是兩種情況下β相的形態(tài)和分布不同的結(jié)果，這似乎起到了關(guān)鍵作用，因?yàn)樵撓嘣赪idmanstätten結(jié)構(gòu)中沿α板條呈連續(xù)狀，而在球狀結(jié)構(gòu)中則集中在三個(gè)α邊界。 

 

圖8 一幅明場Ti64_900C_HT條件下的STEM圖像，用保留比例的正方形區(qū)域呈現(xiàn)Ti、Al、V和Fe面分布規(guī)律的EDS能譜圖

 

雖然同步輻射成像技術(shù)極大地促進(jìn)了合金微觀組織的研究，但由于同步輻射成像技術(shù)尚處于發(fā)展階段，其在凝固過程中，特別是固態(tài)相變中的潛力尚未得到充分發(fā)揮。 

 

同步輻射原位成像技術(shù)在合金結(jié)構(gòu)研究中具有重要的優(yōu)勢，將成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。該技術(shù)在非晶和準(zhǔn)晶材料的生長動力學(xué)以及微裂紋的萌生和擴(kuò)展研究中也得到了很好的應(yīng)用。 

 

特別是同步輻射成像技術(shù)在三維重建中具有獨(dú)特的優(yōu)勢，傳統(tǒng)的電子顯微鏡分析技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)。因此，同步輻射多維原位成像技術(shù)有望成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域最有力的技術(shù)手段之一。例如，同步輻射技術(shù)可以實(shí)時(shí)觀察合金在高轉(zhuǎn)速下凝固組織的演變。 

 

參考文獻(xiàn)： 

[1] B. Callegari, J.P. Oliveira, K. Aristizabal,R.S. Coelho, P.P. Brito, L. Wu, N. Schell,F.A. Soldera, F. Mücklich, H.C. Pinto.In-situsynchrotron radiation study of the aging response of Ti-6Al-4V alloy with differentstarting microstructures. Materials Characterization 165 (2020) 110400.

[2] Akira Nambu, Akio Yoneyama, DaikohTakamatsu, Kumiko Konishi, Ryuusei Fujita. Advanced Analysis of Materials UsingSynchrotron Radiation. Hitachi Review Vol. 68, No. 1 90–91.

[3] Yongbiao Wang, Sensen Jia, Mingguang Wei,Liming Peng, Yujuan Wu, Xintian Liu. Research progress on solidificationstructure of alloys by synchrotron X-ray radiography: A review. Journal ofMagnesium and Alloys 8 (2020) 396–413.