在金屬材料領域，有一個關系一直被人們研究和利用，那就是成分-組織-性能關系。認識清楚了該關系，人們就知道了該如何制備更好的材料。為此，人們不斷探索新的表征方法，幫助認識材料的微觀組織，揭示這一重要關系。
近百年來，科研人員聚焦金屬材料組織結構的表征，發展起來了光學顯微鏡、激光共聚焦、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡等。通過材料截面的拋光與腐蝕，呈現金屬的微觀組織結構并采用顯微鏡觀察和記錄。
即使在科技比較發達的今天，人們在分析金屬材料的微觀組織結構時大多還是大多使用二維圖像。然而，隨著人們對問題的認識不斷深入，越來越希望了解材料微觀組織結構的三維特征，甚至時間特征。于是多種層析技術應運而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認識和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時間和溫度場等。由于問題的復雜性，直到今天，人們也沒有完全認識和徹底呈現凝固過程中的微觀組織演化。
科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競爭力的手段。
何為同步輻射
在過去的幾年里，材料研究的前沿領域取得了迅速的進展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴大我們對材料前沿的基本理解。
中國第一臺第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過14億元
同步輻射是相對論和超相對論電子在磁場中旋轉產生的輻射，是高能天體物理學中的主要過程。它最初是在早期的電子感應加速器實驗中觀察到的，在實驗中電子首先被加速到超相對論能量，加速器發出強大X射線輻射。同步輻射的高亮度、高方向性和能量可變性使其具有不同于其它X射線源的特性，是材料科學研究和材料開發的重要工具。
圖1 同步輻射產生原理和使用方法
圖1說明了同步加速器產生同步輻射的概況。20世紀80年代使用的同步輻射是用彎曲的電磁鐵沿著圓形路徑彎曲離子而發出的。自20世紀90年代以來，一種被稱為波動器的磁路被用來主動振蕩電子路徑，創造了一種利用干涉效應提取強X射線的技術。
在同步加速器裝置上可以開展許多不同的實驗，例如利用材料特有的X射線衍射/擴散效應來檢驗材料結構的衍射/擴散實驗；通過檢驗材料吸收和發射的X射線的波長來獲得材料電子狀態和鍵合狀態等信息的光譜實驗；以及利用X射線穿透材料的特性進行X射線攝影或其他成像實驗。
帶來了各種各樣的成像顯微鏡（例如相位對比顯微鏡、樣品中元素成分的微熒光成像、樣品中原子化學狀態的微EXAFS或近邊緣光譜成像，當然還有微衍射分析）。
除了眾所周知的X射線顯微術、透射X射線顯微層析成像和X射線全息照相技術外，用于獲得微米級物體的三維真實空間圖像的分辨率或更好。
根據Liouville定理，除非使用高亮度X射線源，否則無法在如此小的區域實現如此高的光子強度，這就是為什么新型同步輻射源能夠在此類研究中實現量子躍遷。
金屬的凝固組織是由成分控制并影響其性能。準確把握金屬凝固組織的形成機理、控制因素和控制途徑，有利于材料組織結構的精確控制和設計，提高材料的綜合性能，優化金屬的性能。
由于凝固組織不透明以及凝固過程中的高溫環境，傳統的表征技術如金相顯微鏡觀察無法動態、完整地觀察整個凝固過程。凝固過程中的一些關鍵信息很難全面捕捉。
高能X射線的出現和發展為研究合金凝固組織提供了一種新的表征方法。特別是同步輻射原位成像技術的應用，使得實時觀察金屬凝固過程的動態演變成為可能，也成為打開認識金屬結晶之門的鑰匙。
同步輻射高能輻射與可見光和X射線一樣，屬于電磁輻射，但不同的是，它是由電子在磁場中以接近光速的曲線運動在同步輻射中產生的。與傳統光源相比，同步輻射中的高能X射線具有能量強、亮度高、穿透性好等特點，能夠滿足金屬枝晶生長實時動態成像觀測的要求。目前，同步輻射原位成像技術已成為實時動態觀察金屬合金凝固組織生長行為的重要手段。
錫鉍合金凝固行為
低熔點錫鉍和錫鉛合金廣泛應用于機械、航空、汽車和其他工業領域。枝晶是凝固過程中最常見的形態特征。對于低熔點合金，由于凝固溫度相對較低，其微觀結構易于觀察。利用同步輻射原位成像技術對這些合金的結構進行了表征，可以獲得動態枝晶生長、斷裂和轉變等一系列微觀組織演化過程。這些信息對預測合金的力學性能具有重要的指導作用。
圖2 （a）錫鉍合金枝晶生長競爭（b）錫鉍合金柱狀晶等軸晶轉變（c）錫鉍合金枝晶臂斷裂現象。
基于歐洲同步輻射設施（ESRF），Mathiesen等人成功地獲得了錫鉍和錫鉛二元合金微觀組織生長的二維圖像。在合金凝固過程中，觀察到柱狀晶等軸晶轉變、枝晶臂斷裂、自由枝晶和新枝晶的一系列形態演變和動態生長行為。這項研究是利用同步輻射成像技術研究低熔點合金凝固的開創性工作。
鋁銅合金凝固行為
鋁合金等金屬結構材料在航空、航天、汽車、電子、機械、國防等領域發揮著不可或缺的作用。鋁合金凝固組織的微觀結構直接影響鋁合金構件的力學性能。同步輻射原位成像技術是觀察合金組織演變過程的重要手段，為研究合金凝固過程中組織演變開辟了一條新的途徑。
Mathiesen和Arnberg利用歐洲同步輻射裝置（ESRF）研究了Al-30wt%Cu合金的生長過程，共晶界面的法向沿水平方向變化不大，表明等溫溫度與所施加的熱梯度并不完全垂直。由于溫度梯度的方向與重力方向平行，生長峰幾乎在同一水平線上。在凝固過程中，液固相對射線吸收的差異為成像提供了良好的對比度。利用這種不同的對比度，可以直接觀察到柱狀枝晶生長前沿的溶質。在CET轉變過程中，當凝固方向與重力方向相反時，枝晶臂容易發生斷裂，斷裂的枝晶臂在液相中繼續生長，阻礙了柱狀晶體的生長。
Zimmermann等人和Rakete等人研究了Al–10%Cu合金定向凝固過程中晶粒結構的形成。他們發現這些碎片連續地從枝晶尖端區域分離，并在它們生長之前緩慢地移動到固液界面。由于碎片和周圍熔體之間的密度差很小，碎片會過度生長。結果，在低固化速率的大尺寸三維樣品中出現等軸晶體生長。
圖3 X射線照片顯示，在平行于重力的定向凝固過程中，在鋁–30 wt%銅中，平面共晶和柱狀枝晶生長。（a）t0+4.5s時的液體成分等值線圖；（b）從左到右枚舉的共晶前沿和柱狀尖端1到3的速度；（c）整個視頻序列上二維固液界面投影的時間演化。
圖4 顯示覆蓋在視場上的提取顆粒區域包絡的圖像分析算法。藍色等高線顯示了時間顆粒包絡的演化。星形虛線表示等軸晶核和初生臂生長方向。
圖5 熱梯度G=48k mm-1，無外部PEMF，Al-15wt%Cu凝固過程中的碎片圖。在每個圖像中，30 s時間幀內的碎片事件的位置由黃色圓圈標識。
基于第三代同步輻射源的同步輻射二維/三維成像技術迅速發展，高分辨率的實時、原位、動態和非破壞性表征能力揭示了柱狀等軸轉變、等軸晶自由生長、柱狀晶定向生長、枝晶臂斷裂和解離以及枝晶間競爭生長等現象。這些成像結果不僅為驗證金屬合金凝固理論提供了直接的實驗依據，而且為進一步完善和豐富凝固理論提供了技術支持。
因此，利用同步輻射成像技術對晶體的形貌、溶質分布、生長速率等方面進行分析，可以獲得大量的精確數據，而這些數據是后分析方法無法獲得的。目前，同步輻射成像技術已成為研究凝固過程最先進、最有力的工具。
鎂合金凝固行為
圖6 一系列X射線照片中拍攝的圖像顯示了在T=0.0125K/s的近等溫條件下，Elektron21合金中α-Mg初生相隨時間的演化過程。最初的α-Mg枝晶看起來很亮，而次級形態則明顯較暗。液相的灰度值與它的組成有關，在液相中，溶質濃度的增加使圖像像素變暗。標有I、II、III和IV的區域代表出現形態不同結構的空間位置。
圖7 同步輻射X射線斷層掃描重建hcp-a-Mg枝晶的生長模式。（a）（b）從不同角度顯示了多枝晶的三維生長模式，（c）顯示了hcp-a-Mg枝晶晶粒的典型三維形貌，（e）（f）分別從<0001>、<1010>和<1120>顯示了枝晶形貌。（g）顯示了通過EBSD實驗分析的hcpa-Mg枝晶的首選生長方向。
鈦合金凝固行為
圖8顯示了Ti64_900C_-HT條件在24小時老化后的明場STEM圖像，并附有能量色散譜（EDS）圖，表明這些細化沉淀物貧于β穩定元素V和Fe，富含Ti和Al，因此由極為精煉的二次α板條組成。
時效前Ti64_900C_HT組織中未觀察到這種特征。這些結果表明β分解為二次α相發生在時效過程中，類似于熱等靜壓后合金退火過程中觀察到的情況。
必須強調的是，這些沉淀物在老化后沒觀察到。這種差異可能是兩種情況下β相的形態和分布不同的結果，這似乎起到了關鍵作用，因為該相在Widmanst?tten結構中沿α板條呈連續狀，而在球狀結構中則集中在三個α邊界。
圖8 一幅明場Ti64_900C_HT條件下的STEM圖像，用保留比例的正方形區域呈現Ti、Al、V和Fe面分布規律的EDS能譜圖
雖然同步輻射成像技術極大地促進了合金微觀組織的研究，但由于同步輻射成像技術尚處于發展階段，其在凝固過程中，特別是固態相變中的潛力尚未得到充分發揮。
同步輻射原位成像技術在合金結構研究中具有重要的優勢，將成為材料科學與工程領域一種強有力的技術手段。該技術在非晶和準晶材料的生長動力學以及微裂紋的萌生和擴展研究中也得到了很好的應用。
特別是同步輻射成像技術在三維重建中具有獨特的優勢，傳統的電子顯微鏡分析技術無法實現。因此，同步輻射多維原位成像技術有望成為材料科學與工程領域最有力的技術手段之一。例如，同步輻射技術可以實時觀察合金在高轉速下凝固組織的演變。
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