“晶海捞针”——新技术助力观察晶粒异常长大

材料牛注：晶粒异常长大会使材料更容易发生断裂，然而发现和隔离这种异常长大却十分困难，并且阻碍了对该现象的进一步认知。近日，科学家采用了一种新型透射X射线衍射技术，可以在小晶粒的海洋中探测少数的大晶粒，并可由此研究疲劳诱导的晶粒异常长大现象。

图1  镍基合金的透射X射线衍射环。其中的强度尖峰（嵌入物）对应于少数异常长大的晶粒。

谁是使材料产生疲劳和断裂的“罪魁祸首”？一种新的X射线分析技术给出了答案——少数异常长大的结晶区。材料随着重复使用而经历的变形过程称为疲劳。疲劳会破坏材料中的原子排列，原子通常排列在小的结晶区即晶粒中。疲劳会导致极少数的晶粒异常长大，达到原始晶粒大小的10-100倍。

这些异常长大的晶粒十分脆弱，因而使得材料更容易断裂。然而，发现和隔离这种异常长大却十分困难，并且阻碍了对该现象的进一步认知。采用新型透射X射线分析技术，科学家可以在小晶粒的海洋中探测少数的大晶粒，并可由此研究疲劳诱导的大晶粒长大现象。

传统表征技术的不足之处在于可观测的材料数量有限，这就像是通过观察一片树叶来试图了解一整片森林。而这种新方法可以在一个更大的体积内探测极为稀少的缺陷。了解这些稀少缺陷可识别“强链接”材料中少数的“弱链接”。这种新认识使制备抗渗或高抗疲劳裂纹萌生的先进电工钢和纳米晶金属成为可能。这些抗渗金属可帮助美国减少材料重复使用过程中因断裂而造成的数百万美元的损失。

传统的透射电子显微镜和金相技术可观测的材料样品的数量有限。因此，这些技术很难用来探测那些会影响材料机械性能的微小变化。例如，因疲劳产生的少数晶粒的异常长大，这可能会导致纳米晶金属萌生裂纹或发生断裂。

该X射线衍射方法首次在镍基合金中数百万的小晶粒海洋里识别出少数大晶粒，这就好比晶海捞针。在寻找少数的大晶粒时，美国Sandia国家实验室的研究人员分析了之前收集的疑似存在疲劳诱导晶粒生长现象的金属的同步辐射X射线数据。

令人惊讶的是，疲劳金属的多晶（由许多随机取向的晶体组成的固体）衍射环上显示出统计学相关的峰值。最直接的证据来自于合金的原位疲劳测试。常规方法得到的分析数据无法区分疲劳前后。然而，这种新方法得到的透射X射线衍射图案显示出尖峰，表明疲劳促使了晶粒的异常长大。这种可在较大体积内检测极为稀少的缺陷的新方法可以帮助我们理解和稳固材料中最薄弱的环节。

原文链接：Finding a needle in a crystalline haystack

本文由编辑部王宇提供素材，鲁健编译，丁菲菲审核。