多晶块材中“特异”晶粒的3D实验观测及行为规律研究

Most metallic materials are polycrystals composed with individual grains, whose three dimensional (3D) characterization as well as size and topology control in precision are common challenge for almost all the metallic materials. As to those grains with distinctive features markedly different from the average in the polycrystal，their 3D characteristics and possible effect on microstructure evolution and properties of the polycrystal are still open questions. The main reason is that the data on 3D characterization of such distinctive grains in real materials,especially that of the whole exceptional big grains are scarce. Through developing new approaches and methods for 3D observation and anlysis, this project will systematically study the nature, behaviors and functions of such particular grains with distinctive features (such as topology, grain size, morphology, orientation and grian boundary structure) in 3D space, then express all of the experimental data in rather simple 2D figures. A database will be constructed, and the materials informatics will be used as a powerful aid to reveal the formation mechanism and behavior of such special grains. Simultaneously, a proper way will be searched to share original experimmental data of 3D grains on internet with sicientists who are interested in them.

显微组织定量表征与晶粒尺寸形态控制是多晶材料研究必须面对的一个共性问题。极少数其拓扑特性、尺寸与形态、取向特性与晶界特性等显著区别于多晶体平均状态的晶粒，例如界面数和尺寸超大的晶粒，其三维空间的各项特征、其对材料组织演变和宏观性能有何影响和如何影响，包括能否成为异常晶粒长大的核心等问题，近年来获得高度关注且尚无定论。相关实测数据尤其是完整大晶粒观测数据极为稀缺是一个重要原因。本项目将通过3D晶粒组织的高效重建与综合实验观测分析，创建集3D个体晶粒拓扑构型、拓扑相关性、取向信息和晶界特征等诸多实验观测结果于一图的直观易读的科学图示表达方法，实测并报告一批结构完整的"特异"晶粒及其演变行为的3D表征综合数据，进而在数据挖掘和材料信息学技术辅助下，研究和揭示此类"特异"晶粒的形成机理和演变规律。同时，对3D晶粒原始实验数据的共享方式进行探索，填补国内外此类共享数据的空白。

晶粒尺寸与形态的定量表征和控制是多晶材料研究必须面对的共性问题。尤其那些特征显著区别于晶粒组织平均状态的三维(3D)个体“特异”晶粒的3D空间特征及其演变等问题的研究几乎仍是空白。本项目提出了3D晶粒组织包括其晶体学取向重建与定量表征的有效方法，采用纯铁为模型材料，首次获得包含超大“特异”晶粒的实际金属材料3D晶粒组织实测结果的大数据集合，所测数据包括晶粒的体积、表面积、等效半径、平均宽度、拓扑特征参量等，以及晶粒的晶体学取向、晶粒间取向差和重合点阵晶界特征等。其中，含“特异”晶粒的纯铁样品包含3D完整晶粒25,417 个、超大“特异”完整晶粒17 个，特大个体晶粒的晶界面数范围为128 ~ 669；具有晶体学取向信息的超大晶粒12 个、常规晶粒12,354 个; 对比用无特异晶粒的样品含有3D完整晶粒16,254个。国内外至今未见晶界面数逾100的超大“特异”完整晶粒3D实验观测分析的报道；所绘制具有128个晶界面的超大3D个体晶粒的Schlegel图，其晶界面数国内外至今未见超越。鉴于面图应用具有一定局限性，本项目又提出了一种基于矩阵、可以有效实现3D个体晶粒所有可能拓扑构型及其演变的新数学表达及演算方法，通过3D晶粒拓扑构型演变的矩阵演算预测了面数≤14的所有3D晶粒构型并获得实验验证，其中包括多种前人从未发现的晶面二次相邻的拓扑构型, 以及在所有7、8、9面的1784个3D重建纯铁晶粒中观察到的20种（43个）晶面二次邻接关系的晶粒构型, 并根据此类构型特点提出了基于晶面曲率驱动的晶粒构型快速演变机制。另外，首次利用纯铁晶粒组织完成3D晶粒第一近邻层、第二近邻层乃至第三近邻层均有效的广义Aboav-Weaire关系的实验验证。基于上述研究成果和数据，建成3D个体晶粒和3D晶粒组织数据库，可应用户要求通过互联网等方式共享。本项目还对PM镍基高温合金、M/F低活性钢、微合金钢等的晶粒组织及其演变进行了相关研究。上述研究成果与实验技术还可推广应用于其他多胞结构的其他学科领域。