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同步輻射成像技術(shù)在金屬材料研究中的應(yīng)用

2020-03-02 11:38吳博
科學(xué)與財(cái)富 2020年1期
關(guān)鍵詞:金屬應(yīng)用

吳博

摘 要:作為人類歷史中的重要工具之一,金屬材料一直以來(lái)是每一個(gè)研究者重點(diǎn)研究的對(duì)象之一。當(dāng)前環(huán)境下,表征技術(shù)在金屬材料的研究中有著很廣泛的使用,但是由于金屬的不透明性等特點(diǎn)限制了其研究進(jìn)度。隨著第三代的同步輻射光源技術(shù)的升級(jí),有著強(qiáng)穿透性、高時(shí)空分辨率等的點(diǎn),在金屬研究中得到了廣泛的使用。本文主要介紹了歷來(lái)同步輻射成像技術(shù)在金屬凝固行為中的調(diào)控,展望了同步輻射技術(shù)極其成像技術(shù)在金屬領(lǐng)域的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞:同步輻射;金屬;應(yīng)用;凝固

由于金屬材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的物理性能,在人類歷史的發(fā)展中有著重要的作用,廣泛的運(yùn)用在航天、汽車、機(jī)械、電子等等領(lǐng)域。我們知道,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì),金屬材料的性能與其最終凝固組織結(jié)構(gòu)相關(guān)密切,研究金屬材料在凝固過(guò)程中的微觀組織的演化和動(dòng)力學(xué)行為,能夠精確地指導(dǎo)金屬材料的性能表現(xiàn),從而經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)材料組織結(jié)構(gòu)提高其綜合性能。

在金屬的凝固過(guò)程中,由于其不透明性和高溫過(guò)程,很大程度上限制了研究人員對(duì)于金屬材料的新能和結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)觀察,傳統(tǒng)研究方法大多采用的金相分析很難捕獲到金屬凝固過(guò)程中微觀組織的動(dòng)態(tài),又有研究者通過(guò)使用有機(jī)模型合金的辦法來(lái)模擬器在凝固過(guò)程中的微觀組織凝固動(dòng)態(tài)生長(zhǎng),取得了較好的利用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,模擬算法的開(kāi)發(fā)讓整個(gè)金屬微觀凝固狀態(tài)的整個(gè)過(guò)程能夠成為可能。隨著同步輻射的學(xué)科發(fā)展,其為許多前沿學(xué)科領(lǐng)域的研究提供了一種先進(jìn)的表征手段。同步輻射就是以接近光速運(yùn)動(dòng)的荷電粒子在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)放出的電磁輻射,第三代同步輻射光源以其高通量、高亮度、高準(zhǔn)直性、優(yōu)良的脈沖時(shí)間結(jié)構(gòu)、準(zhǔn)相干、偏振及波長(zhǎng)可調(diào)等不可替代的優(yōu)點(diǎn)使得X射線成像技術(shù)獲得了革命性的發(fā)展。本文主要介紹近十多年來(lái)同步輻射二維/三維成像技術(shù)在金屬材料研究中的典型應(yīng)用。

1.金屬材料同步輻射二維成像

1999年,Mathiesen等利用同步輻射二維成像技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了低熔點(diǎn)Sn-Pb合金枝晶形貌演變及生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像。隨著第三代的同步輻射光源的發(fā)展,出現(xiàn)了很多的同步輻射光源,比如上海同步輻射光源、美國(guó)先進(jìn)光子源等等,加上同步輻射成像技術(shù)的發(fā)展,使得利用同步輻射成像技術(shù)在金屬材料的研究中得到了廣泛的使用,同時(shí)取得了較大的研究成果。研究人員通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)對(duì)一些中高熔點(diǎn)的金屬材料的凝固行為進(jìn)行二維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像,為金屬的凝固動(dòng)力學(xué)模型提供了直接的數(shù)據(jù)支持。

2.金屬材料同步輻射三維成像

計(jì)算機(jī)斷層掃描成像是目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)損三維成像方法。隨著同步輻射技術(shù)、成像理論及三維數(shù)據(jù)重構(gòu)算法的發(fā)展和完善,同步輻射三維成像技術(shù)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步,其分辨率可達(dá)到微米級(jí),甚至是納米級(jí),成為研究金屬材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)非常重要的檢測(cè)分析手段。目前研究領(lǐng)域主要集中在:①凝固微觀組織三維表征;②細(xì)觀損傷力學(xué)-微裂紋萌生、擴(kuò)展及斷裂三維表征;③材料表面形貌/內(nèi)部納米結(jié)構(gòu)三維表征

當(dāng)前很多學(xué)者在研究中心使用三維成像技術(shù)進(jìn)行凝固微觀組織的靜態(tài)三維表征,對(duì)于凝固微觀組織的“動(dòng)態(tài)”三維表征,Ludwig等率先開(kāi)展了Al-Cu合金凝固過(guò)程中固/液相演變的研究。之后,隨著原位加熱設(shè)備、成像系統(tǒng)的完善及時(shí)空分辨率的提高,研究者們相繼開(kāi)展了枝晶形貌演變及粗化行為、金屬間化合物片層形貌演變、半固態(tài)保溫或變形過(guò)程中微觀組織的演變等研究,為完善生長(zhǎng)模型并驗(yàn)證凝固模式提供了新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.物理場(chǎng)調(diào)控下金屬凝固行為研究

在金屬凝固之前或者凝固過(guò)程中施加物理場(chǎng)能夠改變金屬的一些凝固組織樣式,目前研究比較多的最主要集中在三個(gè)方面:①電場(chǎng),即是通過(guò)直流電或者交流電處理金屬熔體;②磁場(chǎng),讓金屬熔體在磁場(chǎng)的作用下進(jìn)行非接觸式的凝固;③超聲場(chǎng),對(duì)金屬進(jìn)行超聲波處理,基于傳統(tǒng)靜態(tài)檢測(cè)手段無(wú)法原位觀察物理場(chǎng)對(duì)金屬凝固行為的動(dòng)態(tài)調(diào)控過(guò)程,國(guó)內(nèi)外研究人員利用先進(jìn)同步輻射成像技術(shù)先后對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和超聲場(chǎng)調(diào)控機(jī)理及規(guī)律開(kāi)展了原位動(dòng)態(tài)表征,并取得了一定研究成果,使得相關(guān)基礎(chǔ)研究更為系統(tǒng)和深入。

Wang等利用上海/北京同步輻射光源,基于同步輻射吸收和相襯成像技術(shù),率先研究了直流電流、脈沖電流作用下Sn基合金凝固過(guò)程中枝晶形貌演變行為,獲得有無(wú)電流條件下晶粒尺寸、枝晶間距、枝晶尖端生長(zhǎng)速率隨時(shí)間的演變規(guī)律,(如圖2所示)揭示了電流促進(jìn)枝晶間相互作用以及抑制枝晶生長(zhǎng)機(jī)理;發(fā)現(xiàn)了電流致枝晶尖端分裂現(xiàn)象,并闡明該現(xiàn)象是由枝晶尖端“電流擁擠”效應(yīng)引起的溶質(zhì)富集所造成。

結(jié)語(yǔ)

因第三代同步輻射光源的發(fā)展而迅速興起的同步輻射二維/三維成像技術(shù)給金屬材料研究帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇,其高時(shí)空分辨下的實(shí)時(shí)、原位、動(dòng)態(tài)、無(wú)損表征能力,極大地推動(dòng)了金屬凝固與物理場(chǎng)調(diào)控、材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)演變、細(xì)觀損傷行為等領(lǐng)域研究的深入和發(fā)展。未來(lái),同步輻射成像技術(shù)除了追求更高時(shí)空分辨之外,“成像+”技術(shù)也極具推廣應(yīng)用潛力,此外,傷害同步輻射光源二期工程中的更為先進(jìn)的輻射光源的研究和發(fā)展極大地推動(dòng)了金屬材料的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

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[2]王同敏,王琨,朱晶,曹飛,謝紅蘭,黃萬(wàn)霞,包永明.同步輻射成像技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用——金屬合金晶體生長(zhǎng)原位可視化[J].物理,2012,41(04):244-248.

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