大科学装置四维原位成像助力材料微结构损伤高分辨表征

长期以来，科学家通过测量表面裂纹长度和辨识疲劳断口揭示小试件的破坏行为，并依此来表征大块金属材料的疲劳损伤机制，从而建立了工程结构抗疲劳断裂设计的科学基础和评价体系。虽然断口保存了材料破坏过程的全部信息，但很难标定缺陷的空间形貌及与其他缺陷的耦合情况，无法提取到三维空间中真实临界缺陷尺寸。低通量点光源工业CT探测的缺陷形貌、尺寸及位置精度不足，尤其不能实现高时空分辨下的动态原位加载。因此，依托高亮度、高相干和高准直的高能X射线光源，开展疲劳加载条件下含缺陷材料裂纹萌生和扩展的原位三维观测就成为瓶颈技术问题。我国上海同步辐射光源(SSRF)、北京同步辐射装置(BSRF)和合肥同步辐射光源(HLS)便是这类高性能光源的杰出代表。同步辐射光源最早出现在美国通用电气公司的一台70 MeV电子同步加速器上，其亮度是工业X射线机和实验室光源的上亿倍，能够在亚微米空间和皮秒时间尺度上准确捕捉萌生裂纹的内部缺陷，已成为研究先进材料内部缺陷与疲劳行为不可替代的超级显微镜和精密探针。

为实现大块金属材料缺陷空间演化及疲劳行为的精准表征，兼容于高分辨成像系统的原位加载机构为科学家提供了前所未有的机遇，进而能够建立基于内部缺陷的更加准确的疲劳损伤评估方法。2000年以来，各国学者依托同步辐射大科学装置开发了多种原位加载试验装置，引领了材料损伤演化四维原位成像研究的新方向。

尤其重要的是，该系统的研制成功可实现轻质高强材料的标准试样研究，例如增材铝合金标距直径可达到6 mm，并可以施加正弦波和三角波下的恒幅、变幅和随机幅值疲劳载荷。随着上海同步辐射光源二期超硬X射线成像线站(设计最高能量100 keV)和北京高能同步辐射光源(优化光子能量大于100 keV)相继建设完成，我国将能够实现抗拉极限1 500 MPa级别材料的四维原位成像表征，相关基础探索能力跻身世界前列。

(吴圣川)