北京同步輻射裝置助力多主元合金材料研究取得新進(jìn)展

2024年1月3日，北京同步輻射裝置（BSRF）用戶北京工業(yè)大學(xué)韓曉東教授團(tuán)隊(duì)在《Nature》雜志上發(fā)表題為“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”的研究論文，報(bào)道了多主元合金在變形過程中位錯(cuò)密度隨變形量的演化信息，定量研究了材料的統(tǒng)計(jì)位錯(cuò)密度，揭示了材料強(qiáng)韌化機(jī)理。作為論文的共同作者，高能光源（HEPS）結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)線站團(tuán)隊(duì)的師彩娟博士完成了合金在拉伸變形過程中的晶體學(xué)信息的原位探測(cè)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解析。

材料的強(qiáng)度與塑性相互制約，提高強(qiáng)度的同時(shí)往往損失塑性，開發(fā)兼具高強(qiáng)度和大拉伸塑性的合金體系仍是國際領(lǐng)域的重大基礎(chǔ)性科學(xué)問題和難題。位錯(cuò)在材料科學(xué)中是一種重要的線缺陷，在材料塑性變形，回復(fù)和再結(jié)晶過程中扮演的重要角色。了解位錯(cuò)在變形過程中的演變規(guī)律，對(duì)理解材料強(qiáng)韌化機(jī)理有著重要的價(jià)值。在實(shí)驗(yàn)室常用的研究手段中，通過透射電子顯微鏡可以觀察到局域范圍內(nèi)的位錯(cuò)特征，但難以表征整個(gè)材料內(nèi)部的位錯(cuò)密度等統(tǒng)計(jì)性信息，基于同步輻射的高能X射線衍射方法為材料內(nèi)部統(tǒng)計(jì)性缺陷信息提供最真實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

韓曉東教授團(tuán)隊(duì)與HEPS光源的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)線站團(tuán)隊(duì)合作，采用原位同步輻射高能衍射方法研究體心立方晶系難熔多主元合金的位錯(cuò)密度演變過程，揭示了高密度位錯(cuò)對(duì)合金的應(yīng)變硬化的重要作用，為金屬材料強(qiáng)韌化研究提供了理論指導(dǎo)。圖1展示了依據(jù)高能同步輻射衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合經(jīng)典Williamson-Hall方程計(jì)算得到的合金在拉伸變形期間的位錯(cuò)密度演變過程。

該工作依托的BSRF-3W1線站高能衍射/全散射平臺(tái)（圖2）是在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，由李曉東研究員主持，多學(xué)科中心鄭黎榮、師彩娟、楊棟亮、張兵兵、張飛等人參與并設(shè)計(jì)搭建，同時(shí)得到了3W1線站楊一鳴等人的大力協(xié)助。平臺(tái)開放運(yùn)行以來，已經(jīng)順利完成多項(xiàng)用戶課題研究，用戶實(shí)驗(yàn)成果在Nature、National Science Review、Nature Communication、Acta Materialia等期刊發(fā)表。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9

圖1.?拉伸時(shí)的歸一化應(yīng)變硬化率和同步輻射高能衍射方法計(jì)算的位錯(cuò)密度

圖2. BSRF-3W1線站高能衍射/全散射平臺(tái)