北京同步辐射装置助力多主元合金材料研究取得新进展

2024年1月3日，北京同步辐射装置（BSRF）用户北京工业大学韩晓东教授团队在《Nature》杂志上发表题为“Negative mixing enthalpy solid solutions deliver high strength and ductility”的研究论文，报道了多主元合金在变形过程中位错密度随变形量的演化信息，定量研究了材料的统计位错密度，揭示了材料强韧化机理。作为论文的共同作者，高能光源（HEPS）结构动力学线站团队的师彩娟博士完成了合金在拉伸变形过程中的晶体学信息的原位探测和实验数据解析。

材料的强度与塑性相互制约，提高强度的同时往往损失塑性，开发兼具高强度和大拉伸塑性的合金体系仍是国际领域的重大基础性科学问题和难题。位错在材料科学中是一种重要的线缺陷，在材料塑性变形，回复和再结晶过程中扮演的重要角色。了解位错在变形过程中的演变规律，对理解材料强韧化机理有着重要的价值。在实验室常用的研究手段中，通过透射电子显微镜可以观察到局域范围内的位错特征，但难以表征整个材料内部的位错密度等统计性信息，基于同步辐射的高能X射线衍射方法为材料内部统计性缺陷信息提供最真实有效的实验数据。

韩晓东教授团队与HEPS光源的结构动力学线站团队合作，采用原位同步辐射高能衍射方法研究体心立方晶系难熔多主元合金的位错密度演变过程，揭示了高密度位错对合金的应变硬化的重要作用，为金属材料强韧化研究提供了理论指导。图1展示了依据高能同步辐射衍射的实验结果结合经典Williamson-Hall方程计算得到的合金在拉伸变形期间的位错密度演变过程。

该工作依托的BSRF-3W1线站高能衍射/全散射平台（图2）是在国家重点研发计划的支持下，由李晓东研究员主持，多学科中心郑黎荣、师彩娟、杨栋亮、张兵兵、张飞等人参与并设计搭建，同时得到了3W1线站杨一鸣等人的大力协助。平台开放运行以来，已经顺利完成多项用户课题研究，用户实验成果在Nature、National Science Review、Nature Communication、Acta Materialia等期刊发表。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06894-9

图1. 拉伸时的归一化应变硬化率和同步辐射高能衍射方法计算的位错密度

图2. BSRF-3W1线站高能衍射/全散射平台