金属多晶材料基因的高通量表征

黄晓旭

重庆大学材料学院，400044重庆

摘要

对于由成千上万个小晶粒组成的金属多晶体材料而言，决定其性能的基因组主要包括三类微观结构参数，即成分参数（化学元素、含量及分布等）、组织结构参数（相、晶粒、晶体缺陷、大小、形状及分布等）和晶体学参数（晶粒取向、位向关系、界面取向差、界面法线及分布等）。这些材料基因参数的空间分布或三维形态与特性（如晶粒的形状与晶粒间的拓扑连接特性）往往是决定材料性能、服役行为和使用寿命的关键，但是传统的微观结构表征技术多是二维表征技术，一方面不能充分表征材料基因参数的三维特性，另一方面很难实现对材料基因的高通量表征。发展三维表征技术是实现材料基因高通量表征的重要途径。三维表征可以同时实现对多个材料基因参数的高通量表征，可以为材料计算提供大量精确的材料基因的定量数据。近年来，开发具有不同空间分辨率并适于分析晶体材料基因参数的三维表征技术，成为了先进金属材料研究领域的重要课题，相关技术的成功开发将为先进材料基因的跨尺度、高通量表征提供技术保障。

多晶金属材料中晶粒的晶体学取向和晶粒内部的位错结构是两个重要的基因参数，由于晶粒取向和位错结构的多变性和复杂性，实现对这两个基因参数在纳米尺度的三维重构，是多晶材料基因高通量表征技术开发领域极具挑战性的两个课题。本研究在这两个技术的开发上取得了重要进展。在多晶材料的晶粒取向图三维重构方面，初步实现了在透射电镜中对原始图像数据的快速采集和纳米分辨率的晶粒取向图三维重构，目前正在致力于解决透射电镜三维重构所面临的“损失锲”效应，以图实现对晶粒组织的无失真三维重构。在位错结构的三维重构方面，首次在透射电镜中实现了对多种典型位错结构特征的三维分析与重构，获得了传统透射电镜表征技术无法获得的信息，同时实现了对各类位错结构的各种特性（如位错形貌、组态、位错柏氏矢量、位错线的长度和晶体学方向、位错线上应变能的变化、位错应变等的三维空间分布等等）的高通量分析与显示，这为研究位错特性与应变强化、时效析出和界面迁移等许多材料科学的基本问题提供了大量精确的材料基因信息。

 DOI: 10.12110/firstfmge.20171121.217