在金属材料领域，有一个关系一直被人们研究和利用，那就是成分-组织-性能关系。认识清楚了该关系，人们就知道了该如何制备更好的材料。为此，人们不断探索新的表征方法，帮助认识材料的微观组织，揭示这一重要关系。 

近百年来，科研人员聚焦金属材料组织结构的表征，发展起来了光学显微镜、激光共聚焦、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等。通过材料截面的抛光与腐蚀，呈现金属的微观组织结构并采用显微镜观察和记录。 

即使在科技比较发达的今天，人们在分析金属材料的微观组织结构时大多还是大多使用二维图像。然而，随着人们对问题的认识不断深入，越来越希望了解材料微观组织结构的三维特征，甚至时间特征。于是多种层析技术应运而生，如三维EBSD，APT等。尽管如此，人们也只能在三维空间里在一定程度上认识和表征微观组织的特征。 

一些特别的科学问题，如凝固过程中微观组织是如何演变的？这涉及到更多维度空间，除了三维空间以外，还增加了时间和温度场等。由于问题的复杂性，直到今天，人们也没有完全认识和彻底呈现凝固过程中的微观组织演化。

 科研人员在为此不断努力，金属的凝固通常发生在高温，一般的表征手段是无法观察金属凝固过程的，同步辐射成为其中最有竞争力的手段。

何为同步辐射

 在过去的几年里，材料研究的前沿领域取得了迅速的进展，主要（但不完全）是第三代同步辐射源（E SRF、APS和SPring-8）。一种强大的新兴工具，这能真正洞察人们感兴趣的材料和过程，并扩大我们对材料前沿的基本理解。 

同步辐射是相对论和超相对论电子在磁场中旋转产生的辐射，是高能天体物理学中的主要过程。它最初是在早期的电子感应加速器实验中观察到的，在实验中电子首先被加速到超相对论能量，加速器发出强大X射线辐射。同步辐射的高亮度、高方向性和能量可变性使其具有不同于其它X射线源的特性，是材料科学研究和材料开发的重要工具。 

图1 同步辐射产生原理和使用方法 

图1说明了同步加速器产生同步辐射的概况。20世纪80年代使用的同步辐射是用弯曲的电磁铁沿着圆形路径弯曲离子而发出的。自20世纪90年代以来，一种被称为波动器的磁路被用来主动振荡电子路径，创造了一种利用干涉效应提取强X射线的技术。 

在同步加速器装置上可以开展许多不同的实验，例如利用材料特有的X射线衍射/扩散效应来检验材料结构的衍射/扩散实验；通过检验材料吸收和发射的X射线的波长来获得材料电子状态和键合状态等信息的光谱实验；以及利用X射线穿透材料的特性进行X射线摄影或其他成像实验。 

带来了各种各样的成像显微镜（例如相位对比显微镜、样品中元素成分的微荧光成像、样品中原子化学状态的微EXAFS或近边缘光谱成像，当然还有微衍射分析）。 

除了众所周知的X射线显微术、透射X射线显微层析成像和X射线全息照相技术外，用于获得微米级物体的三维真实空间图像的分辨率或更好。 

根据Liouville定理，除非使用高亮度X射线源，否则无法在如此小的区域实现如此高的光子强度，这就是为什么新型同步辐射源能够在此类研究中实现量子跃迁。 

金属的凝固组织是由成分控制并影响其性能。准确把握金属凝固组织的形成机理、控制因素和控制途径，有利于材料组织结构的精确控制和设计，提高材料的综合性能，优化金属的性能。 

由于凝固组织不透明以及凝固过程中的高温环境，传统的表征技术如金相显微镜观察无法动态、完整地观察整个凝固过程。凝固过程中的一些关键信息很难全面捕捉。 

高能X射线的出现和发展为研究合金凝固组织提供了一种新的表征方法。特别是同步辐射原位成像技术的应用，使得实时观察金属凝固过程的动态演变成为可能，也成为打开认识金属结晶之门的钥匙。 

同步辐射高能辐射与可见光和X射线一样，属于电磁辐射，但不同的是，它是由电子在磁场中以接近光速的曲线运动在同步辐射中产生的。与传统光源相比，同步辐射中的高能X射线具有能量强、亮度高、穿透性好等特点，能够满足金属枝晶生长实时动态成像观测的要求。目前，同步辐射原位成像技术已成为实时动态观察金属合金凝固组织生长行为的重要手段。

锡铋合金凝固行为

低熔点锡铋和锡铅合金广泛应用于机械、航空、汽车和其他工业领域。枝晶是凝固过程中最常见的形态特征。对于低熔点合金，由于凝固温度相对较低，其微观结构易于观察。利用同步辐射原位成像技术对这些合金的结构进行了表征，可以获得动态枝晶生长、断裂和转变等一系列微观组织演化过程。这些信息对预测合金的力学性能具有重要的指导作用。 

图2 （a）锡铋合金枝晶生长竞争（b）锡铋合金柱状晶等轴晶转变（c）锡铋合金枝晶臂断裂现象。

基于欧洲同步辐射设施（ESRF），Mathiesen等人成功地获得了锡铋和锡铅二元合金微观组织生长的二维图像。在合金凝固过程中，观察到柱状晶等轴晶转变、枝晶臂断裂、自由枝晶和新枝晶的一系列形态演变和动态生长行为。这项研究是利用同步辐射成像技术研究低熔点合金凝固的开创性工作。 

铝铜合金凝固行为 

铝合金等金属结构材料在航空、航天、汽车、电子、机械、国防等领域发挥着不可或缺的作用。铝合金凝固组织的微观结构直接影响铝合金构件的力学性能。同步辐射原位成像技术是观察合金组织演变过程的重要手段，为研究合金凝固过程中组织演变开辟了一条新的途径。 

Mathiesen和Arnberg利用欧洲同步辐射装置（ESRF）研究了Al-30wt%Cu合金的生长过程，共晶界面的法向沿水平方向变化不大，表明等温温度与所施加的热梯度并不完全垂直。由于温度梯度的方向与重力方向平行，生长峰几乎在同一水平线上。在凝固过程中，液固相对射线吸收的差异为成像提供了良好的对比度。利用这种不同的对比度，可以直接观察到柱状枝晶生长前沿的溶质。在CET转变过程中，当凝固方向与重力方向相反时，枝晶臂容易发生断裂，断裂的枝晶臂在液相中继续生长，阻碍了柱状晶体的生长。 

Zimmermann等人和Rakete等人研究了Al–10%Cu合金定向凝固过程中晶粒结构的形成。他们发现这些碎片连续地从枝晶尖端区域分离，并在它们生长之前缓慢地移动到固液界面。由于碎片和周围熔体之间的密度差很小，碎片会过度生长。结果，在低固化速率的大尺寸三维样品中出现等轴晶体生长。

图3  X射线照片显示，在平行于重力的定向凝固过程中，在铝–30 wt%铜中，平面共晶和柱状枝晶生长。（a）t0+4.5s时的液体成分等值线图；（b）从左到右枚举的共晶前沿和柱状尖端1到3的速度；（c）整个视频序列上二维固液界面投影的时间演化。

图4  显示覆盖在视场上的提取颗粒区域包络的图像分析算法。蓝色等高线显示了时间颗粒包络的演化。星形虚线表示等轴晶核和初生臂生长方向。

图5  热梯度G=48k mm-1，无外部PEMF，Al-15wt%Cu凝固过程中的碎片图。在每个图像中，30 s时间帧内的碎片事件的位置由黄色圆圈标识。 

基于第三代同步辐射源的同步辐射二维/三维成像技术迅速发展，高分辨率的实时、原位、动态和非破坏性表征能力揭示了柱状等轴转变、等轴晶自由生长、柱状晶定向生长、枝晶臂断裂和解离以及枝晶间竞争生长等现象。这些成像结果不仅为验证金属合金凝固理论提供了直接的实验依据，而且为进一步完善和丰富凝固理论提供了技术支持。 

因此，利用同步辐射成像技术对晶体的形貌、溶质分布、生长速率等方面进行分析，可以获得大量的精确数据，而这些数据是后分析方法无法获得的。目前，同步辐射成像技术已成为研究凝固过程最先进、最有力的工具。 

镁合金凝固行为  

图6  一系列X射线照片中拍摄的图像显示了在T=0.0125K/s的近等温条件下，Elektron21合金中α-Mg初生相随时间的演化过程。最初的α-Mg枝晶看起来很亮，而次级形态则明显较暗。液相的灰度值与它的组成有关，在液相中，溶质浓度的增加使图像像素变暗。标有I、II、III和IV的区域代表出现形态不同结构的空间位置。

 图7  同步辐射X射线断层扫描重建hcp-a-Mg枝晶的生长模式。（a）（b）从不同角度显示了多枝晶的三维生长模式，（c）显示了hcp-a-Mg枝晶晶粒的典型三维形貌，（e）（f）分别从<0001>、<1010>和<1120>显示了枝晶形貌。（g）显示了通过EBSD实验分析的hcpa-Mg枝晶的首选生长方向。

钛合金凝固行为 

图8显示了Ti64_900C_-HT条件在24小时老化后的明场STEM图像，并附有能量色散谱（EDS）图，表明这些细化沉淀物贫于β稳定元素V和Fe，富含Ti和Al，因此由极为精炼的二次α板条组成。 

时效前Ti64_900C_HT组织中未观察到这种特征。这些结果表明β分解为二次α相发生在时效过程中，类似于热等静压后合金退火过程中观察到的情况。 

必须强调的是，这些沉淀物在老化后没观察到。这种差异可能是两种情况下β相的形态和分布不同的结果，这似乎起到了关键作用，因为该相在Widmanstätten结构中沿α板条呈连续状，而在球状结构中则集中在三个α边界。 

图8 一幅明场Ti64_900C_HT条件下的STEM图像，用保留比例的正方形区域呈现Ti、Al、V和Fe面分布规律的EDS能谱图

虽然同步辐射成像技术极大地促进了合金微观组织的研究，但由于同步辐射成像技术尚处于发展阶段，其在凝固过程中，特别是固态相变中的潜力尚未得到充分发挥。 

同步辐射原位成像技术在合金结构研究中具有重要的优势，将成为材料科学与工程领域一种强有力的技术手段。该技术在非晶和准晶材料的生长动力学以及微裂纹的萌生和扩展研究中也得到了很好的应用。 

特别是同步辐射成像技术在三维重建中具有独特的优势，传统的电子显微镜分析技术无法实现。因此，同步辐射多维原位成像技术有望成为材料科学与工程领域最有力的技术手段之一。例如，同步辐射技术可以实时观察合金在高转速下凝固组织的演变。 

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