大科學裝置四維原位成像助力材料微結構損傷高分辨表征

長期以來，科學家通過測量表面裂紋長度和辨識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制，從而建立了工程結構抗疲勞斷裂設計的科學基礎和評價體系。雖然斷口保存了材料破壞過程的全部信息，但很難標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臨界缺陷尺寸。低通量點光源工業(yè)CT探測的缺陷形貌、尺寸及位置精度不足，尤其不能實現(xiàn)高時空分辨下的動態(tài)原位加載。因此，依托高亮度、高相干和高準直的高能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展的原位三維觀測就成為瓶頸技術問題。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70 MeV電子同步加速器上，其亮度是工業(yè)X射線機和實驗室光源的上億倍，能夠在亞微米空間和皮秒時間尺度上準確捕捉萌生裂紋的內部缺陷，已成為研究先進材料內部缺陷與疲勞行為不可替代的超級顯微鏡和精密探針。

為實現(xiàn)大塊金屬材料缺陷空間演化及疲勞行為的精準表征，兼容于高分辨成像系統(tǒng)的原位加載機構為科學家提供了前所未有的機遇，進而能夠建立基于內部缺陷的更加準確的疲勞損傷評估方法。2000年以來，各國學者依托同步輻射大科學裝置開發(fā)了多種原位加載試驗裝置，引領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)的研制成功可實現(xiàn)輕質高強材料的標準試樣研究，例如增材鋁合金標距直徑可達到6 mm，并可以施加正弦波和三角波下的恒幅、變幅和隨機幅值疲勞載荷。隨著上海同步輻射光源二期超硬X射線成像線站(設計最高能量100 keV)和北京高能同步輻射光源(優(yōu)化光子能量大于100 keV)相繼建設完成，我國將能夠實現(xiàn)抗拉極限1 500 MPa級別材料的四維原位成像表征，相關基礎探索能力躋身世界前列。