3-2、多场耦合下材料动态变形损伤的高通量诊断技术

罗胜年^1,2*，卢磊^1,2

1.西南交通大学材料科学与工程学院，成都 610031，2.顶峰多尺度科学研究所，成都 610031

摘要：材料基因工程以新型材料的产业应用为导向，致力于缩短新型材料的研发周期，降低研发成本。高通量制备和表征，作为材料基因工程的重要发展目标之一，是对高通量计算预测出的新型材料的实验验证，是新型材料实现产业应用的重要环节。新型材料在服役环境中常经受碰撞等动态载荷和高温环境，高通量表征新型材料多场耦合条件下的动态变形损伤行为是其安全服役的基础。动态变形损伤对时间、加载率和微细观结构具有强依赖性，涉及多个时空尺度，因而给相关研究带来极大挑战。其研究存在两大瓶颈：实验上缺乏超快时高分辨的表征分析手段，理论上缺乏跨尺度传递物理的方法。

基于先进X射线光源的材料动态性质高通量多尺度诊断分析技术，以其优异的时空分辨率为多场耦合条件下动态变形损伤研究提供了机遇。本文详细介绍了多场耦合下基于先进光源的材料动态变形损伤的高通量多尺度诊断技术，实现了多场耦合下镁/钛等新型工程材料的微观—介观—宏观尺度动态变形损伤的高通量表征，揭示了不同空间尺度下新型工程材料变形损伤机制的联系，为新型材料的产业应用奠定重要的物理基础。诊断技术采用材料试验机与霍普金森拉/压杆对新型工程材料进行动态加载，拉/压夹具配备加热/制冷装置，夹具外安装隔热层，用以阻断外界热量传递，保持试样温度恒定。单色X射线光通量低，实现高分辨X射线成像和衍射需要较长的曝光时间，无法满足材料动态变形损伤测量的需求，因此，高通量多尺度诊断技术采用的脉冲X射线为可实现短时曝光测量且具有高光通量的粉红光。X射线测量需要对同步辐射X射线脉冲和加载脉冲进行时间同步，以实现高通量原位实时测量。当动态脉冲作用在试样时，X射线脉冲照射预制温度的试样，透射和散射X射线经闪烁体转化为可见光后被高速相机记录，进而实现动态变形损伤的X射线相衬成像和衍射原位测量。应变/应力计提供宏观尺度的应力-应变曲线；X射线成像序列经数字图像相关方法处理，得到细观尺度的位移场和应变场。X射线衍射数据解读需借助超大规模X射线衍射模拟计算，用以量化材料微观晶格尺度的变形或相变。

多场耦合加载下材料空间跨尺度的宏观应力应变、细观位移场应变场和微观晶格变形实现了与时间演化的一一对应，丰富了实验数据，为研究材料变形提供了新思路。以镁合金为例，微观尺度孪晶主导塑性变形时，应力梯度被迅速释放，从而使得塑性变形在很短的时间内变得较为均匀，均匀化的应变场意味着样品所有区域共同参与抵御外界载荷，最终均匀化的应变激发应变硬化率的增长，此外，温度的升高抑制孪晶形成，应变场均匀程度降低，应变硬化率随之降低。多场耦合下材料动态变形损伤的高通量多尺度诊断技术，实现了加载-环境-诊断-分析的全链条。该技术具有多尺度、多物理量、多场的特征，为材料基因工程提供了一种特殊的高通量表征能力。

关键词：动态变形损伤；高通量；多尺度；X射线；

通讯作者：罗胜年，Email: sluo@pims.ac.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.302