“晶海撈針”——新技術助力觀察晶粒異常長大

材料牛注：晶粒異常長大會使材料更容易發生斷裂，然而發現和隔離這種異常長大卻十分困難，并且阻礙了對該現象的進一步認知。近日，科學家采用了一種新型透射X射線衍射技術，可以在小晶粒的海洋中探測少數的大晶粒，并可由此研究疲勞誘導的晶粒異常長大現象。

圖1? 鎳基合金的透射X射線衍射環。其中的強度尖峰（嵌入物）對應于少數異常長大的晶粒。

誰是使材料產生疲勞和斷裂的“罪魁禍首”？一種新的X射線分析技術給出了答案——少數異常長大的結晶區。材料隨著重復使用而經歷的變形過程稱為疲勞。疲勞會破壞材料中的原子排列，原子通常排列在小的結晶區即晶粒中。疲勞會導致極少數的晶粒異常長大，達到原始晶粒大小的10-100倍。

這些異常長大的晶粒十分脆弱，因而使得材料更容易斷裂。然而，發現和隔離這種異常長大卻十分困難，并且阻礙了對該現象的進一步認知。采用新型透射X射線分析技術，科學家可以在小晶粒的海洋中探測少數的大晶粒，并可由此研究疲勞誘導的大晶粒長大現象。

傳統表征技術的不足之處在于可觀測的材料數量有限，這就像是通過觀察一片樹葉來試圖了解一整片森林。而這種新方法可以在一個更大的體積內探測極為稀少的缺陷。了解這些稀少缺陷可識別“強鏈接”材料中少數的“弱鏈接”。這種新認識使制備抗滲或高抗疲勞裂紋萌生的先進電工鋼和納米晶金屬成為可能。這些抗滲金屬可幫助美國減少材料重復使用過程中因斷裂而造成的數百萬美元的損失。

傳統的透射電子顯微鏡和金相技術可觀測的材料樣品的數量有限。因此，這些技術很難用來探測那些會影響材料機械性能的微小變化。例如，因疲勞產生的少數晶粒的異常長大，這可能會導致納米晶金屬萌生裂紋或發生斷裂。

該X射線衍射方法首次在鎳基合金中數百萬的小晶粒海洋里識別出少數大晶粒，這就好比晶海撈針。在尋找少數的大晶粒時，美國Sandia國家實驗室的研究人員分析了之前收集的疑似存在疲勞誘導晶粒生長現象的金屬的同步輻射X射線數據。

令人驚訝的是，疲勞金屬的多晶（由許多隨機取向的晶體組成的固體）衍射環上顯示出統計學相關的峰值。最直接的證據來自于合金的原位疲勞測試。常規方法得到的分析數據無法區分疲勞前后。然而，這種新方法得到的透射X射線衍射圖案顯示出尖峰，表明疲勞促使了晶粒的異常長大。這種可在較大體積內檢測極為稀少的缺陷的新方法可以幫助我們理解和穩固材料中最薄弱的環節。

原文鏈接：Finding a needle in a crystalline haystack

本文由編輯部王宇提供素材，魯健編譯，丁菲菲審核。