大科學(xué)裝置四維原位成像助力材料微結(jié)構(gòu)損傷高分辨表征

長期以來，科學(xué)家通過測量表面裂紋長度和辨識(shí)疲勞斷口揭示小試件的破壞行為，并依此來表征大塊金屬材料的疲勞損傷機(jī)制，從而建立了工程結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂設(shè)計(jì)的科學(xué)基礎(chǔ)和評價(jià)體系。雖然斷口保存了材料破壞過程的全部信息，但很難標(biāo)定缺陷的空間形貌及與其他缺陷的耦合情況，無法提取到三維空間中真實(shí)臨界缺陷尺寸。低通量點(diǎn)光源工業(yè)CT探測的缺陷形貌、尺寸及位置精度不足，尤其不能實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨下的動(dòng)態(tài)原位加載。因此，依托高亮度、高相干和高準(zhǔn)直的高能X射線光源，開展疲勞加載條件下含缺陷材料裂紋萌生和擴(kuò)展的原位三維觀測就成為瓶頸技術(shù)問題。我國上海同步輻射光源(SSRF)、北京同步輻射裝置(BSRF)和合肥同步輻射光源(HLS)便是這類高性能光源的杰出代表。同步輻射光源最早出現(xiàn)在美國通用電氣公司的一臺(tái)70 MeV電子同步加速器上，其亮度是工業(yè)X射線機(jī)和實(shí)驗(yàn)室光源的上億倍，能夠在亞微米空間和皮秒時(shí)間尺度上準(zhǔn)確捕捉萌生裂紋的內(nèi)部缺陷，已成為研究先進(jìn)材料內(nèi)部缺陷與疲勞行為不可替代的超級顯微鏡和精密探針。

為實(shí)現(xiàn)大塊金屬材料缺陷空間演化及疲勞行為的精準(zhǔn)表征，兼容于高分辨成像系統(tǒng)的原位加載機(jī)構(gòu)為科學(xué)家提供了前所未有的機(jī)遇，進(jìn)而能夠建立基于內(nèi)部缺陷的更加準(zhǔn)確的疲勞損傷評估方法。2000年以來，各國學(xué)者依托同步輻射大科學(xué)裝置開發(fā)了多種原位加載試驗(yàn)裝置，引領(lǐng)了材料損傷演化四維原位成像研究的新方向。

尤其重要的是，該系統(tǒng)的研制成功可實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)高強(qiáng)材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣研究，例如增材鋁合金標(biāo)距直徑可達(dá)到6 mm，并可以施加正弦波和三角波下的恒幅、變幅和隨機(jī)幅值疲勞載荷。隨著上海同步輻射光源二期超硬X射線成像線站(設(shè)計(jì)最高能量100 keV)和北京高能同步輻射光源(優(yōu)化光子能量大于100 keV)相繼建設(shè)完成，我國將能夠?qū)崿F(xiàn)抗拉極限1 500 MPa級別材料的四維原位成像表征，相關(guān)基礎(chǔ)探索能力躋身世界前列。

(吳圣川)