吴博

摘 要：作为人类历史中的重要工具之一，金属材料一直以来是每一个研究者重点研究的对象之一。当前环境下，表征技术在金属材料的研究中有着很广泛的使用，但是由于金属的不透明性等特点限制了其研究进度。随着第三代的同步辐射光源技术的升级，有着强穿透性、高时空分辨率等的点，在金属研究中得到了广泛的使用。本文主要介绍了历来同步辐射成像技术在金属凝固行为中的调控，展望了同步辐射技术极其成像技术在金属领域的运用。

关键词：同步辐射;金属;应用;凝固

由于金属材料具有优异的力学性能和良好的物理性能，在人类历史的发展中有着重要的作用，广泛的运用在航天、汽车、机械、电子等等领域。我们知道，物质的结构决定物质的性质，金属材料的性能与其最终凝固组织结构相关密切，研究金属材料在凝固过程中的微观組织的演化和动力学行为，能够精确地指导金属材料的性能表现，从而经过设计材料组织结构提高其综合性能。

在金属的凝固过程中，由于其不透明性和高温过程，很大程度上限制了研究人员对于金属材料的新能和结构的实时观察，传统研究方法大多采用的金相分析很难捕获到金属凝固过程中微观组织的动态，又有研究者通过使用有机模型合金的办法来模拟器在凝固过程中的微观组织凝固动态生长，取得了较好的利用。随着计算机技术的发展，模拟算法的开发让整个金属微观凝固状态的整个过程能够成为可能。随着同步辐射的学科发展，其为许多前沿学科领域的研究提供了一种先进的表征手段。同步辐射就是以接近光速运动的荷电粒子在改变运动方向时放出的电磁辐射，第三代同步辐射光源以其高通量、高亮度、高准直性、优良的脉冲时间结构、准相干、偏振及波长可调等不可替代的优点使得X射线成像技术获得了革命性的发展。本文主要介绍近十多年来同步辐射二维/三维成像技术在金属材料研究中的典型应用。

1.金属材料同步辐射二维成像

1999年，Mathiesen等利用同步辐射二维成像技术首次实现了低熔点Sn-Pb合金枝晶形貌演变及生长的实时动态成像。随着第三代的同步辐射光源的发展，出现了很多的同步辐射光源，比如上海同步辐射光源、美国先进光子源等等，加上同步辐射成像技术的发展，使得利用同步辐射成像技术在金属材料的研究中得到了广泛的使用，同时取得了较大的研究成果。研究人员通过这项技术对一些中高熔点的金属材料的凝固行为进行二维实时动态成像，为金属的凝固动力学模型提供了直接的数据支持。

2.金属材料同步辐射三维成像

计算机断层扫描成像是目前应用最广泛的无损三维成像方法。随着同步辐射技术、成像理论及三维数据重构算法的发展和完善，同步辐射三维成像技术获得了长足的进步，其分辨率可达到微米级，甚至是纳米级，成为研究金属材料内部三维结构非常重要的检测分析手段。目前研究领域主要集中在：①凝固微观组织三维表征;②细观损伤力学-微裂纹萌生、扩展及断裂三维表征;③材料表面形貌/内部纳米结构三维表征

当前很多学者在研究中心使用三维成像技术进行凝固微观组织的静态三维表征，对于凝固微观组织的“动态”三维表征，Ludwig等率先开展了Al-Cu合金凝固过程中固/液相演变的研究。之后，随着原位加热设备、成像系统的完善及时空分辨率的提高，研究者们相继开展了枝晶形貌演变及粗化行为、金属间化合物片层形貌演变、半固态保温或变形过程中微观组织的演变等研究，为完善生长模型并验证凝固模式提供了新的实验数据。

3.物理场调控下金属凝固行为研究

在金属凝固之前或者凝固过程中施加物理场能够改变金属的一些凝固组织样式，目前研究比较多的最主要集中在三个方面：①电场，即是通过直流电或者交流电处理金属熔体;②磁场，让金属熔体在磁场的作用下进行非接触式的凝固;③超声场，对金属进行超声波处理，基于传统静态检测手段无法原位观察物理场对金属凝固行为的动态调控过程，国内外研究人员利用先进同步辐射成像技术先后对电场、磁场和超声场调控机理及规律开展了原位动态表征，并取得了一定研究成果，使得相关基础研究更为系统和深入。

Wang等利用上海/北京同步辐射光源，基于同步辐射吸收和相衬成像技术，率先研究了直流电流、脉冲电流作用下Sn基合金凝固过程中枝晶形貌演变行为，获得有无电流条件下晶粒尺寸、枝晶间距、枝晶尖端生长速率随时间的演变规律，（如图2所示）揭示了电流促进枝晶间相互作用以及抑制枝晶生长机理;发现了电流致枝晶尖端分裂现象，并阐明该现象是由枝晶尖端“电流拥挤”效应引起的溶质富集所造成。

结语

因第三代同步辐射光源的发展而迅速兴起的同步辐射二维/三维成像技术给金属材料研究带来新的发展机遇，其高时空分辨下的实时、原位、动态、无损表征能力，极大地推动了金属凝固与物理场调控、材料内部三维结构演变、细观损伤行为等领域研究的深入和发展。未来，同步辐射成像技术除了追求更高时空分辨之外，“成像+”技术也极具推广应用潜力，此外，伤害同步辐射光源二期工程中的更为先进的辐射光源的研究和发展极大地推动了金属材料的发展。

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