局域形变是金属结构材料,尤其多晶材料加工及服役过程中存在的普遍现象。不同金属材料在不同加工/服役状态下的组织变化和力学反应行为各异,其中往往涉及复杂的物理机制和演化规律。研究金属结构材料微观组织与力学行为的关系是提高构件服役性能的基础。受困于以往研究手段在尺度方面的限制,对涉及局域形变的损伤与失效机制一直没有充分理解,制约了相关结构材料的设计、模拟和安全评估。应用先进表征方法对这些关键问题进行多尺度系统研究有助于进一步理解形变组织力学演化的本质规律,从而设计合理的工艺方案以改善相应材料的多尺度组织结构,优化构件服役性能。同步辐射技术是一种具有高穿透性、无损伤的实验手段,被广泛应用于材料结构的表征。尤其得益于第三代同步辐射光源的建立和发展,赋予其更为精细的时空间分辨能力,配合大科学装置便于开展原位实验的特点,为众多学科领域的发展带来了新的机遇,具有广阔的科研和工业应用价值。基于同步辐射装置的表征技术的发展也为金属形变,尤其局域形变等传统复杂问题进行多尺度系统研究提供了可能。本文针对传统金属材料中与局域形变相关的几个关键科学问题开展多尺度研究工作,以同步辐射衍射等先进表征技术为主要手段,揭示相关形变组织的本征性质与演化规律,同时结合多尺度表征方法为同步辐射衍射技术应用于金属形变研究提供示范。(1)形变带普遍存在于金属结构材料的服役过程中,与之相关的塑性损伤往往导致构件的最终破坏性失效。由于其在材料内部时空间演化与分布的复杂性,形变带内应变局域化和形变损伤的微观机制依然不清晰。第四章中,采用原位中子衍射和原位同步辐射X射线微束衍射技术(Synchrotron-based X-ray microdiffraction:μXRD),研究了典型FCC平面滑移金属材料AL6XN超级奥氏体不锈钢的疲劳损伤行为。高应变幅(±0.8%)循环形变中,疲劳损伤主要来源于缺陷的累积,表现为衍射峰宽度随循环加载次数增加而不断增大;低应变幅(±0.3%)循环形变中,位错密度在循环加载百周左右即达到饱和(总量保持在相对较低水平),后期的疲劳损伤主要由驻留吕德斯带(Persistent Luders Band:PLB)及其交互作用引起。进一步研究发现,低应变幅疲劳试样中存在与晶粒取向相关的局域损伤行为,即[001]轴与加载方向平行的晶粒受到较大压应变。应用μXRD对低应变幅疲劳晶粒内部形变带附近亚微米尺度三维应力分布进行了原位研究,发现形变带交叉位置存在大点阵应变梯度,由此引起的高局域应力场可以解释力学演化曲线上的循环软化现象。这种应变梯度诱发疲劳形变带两侧出现较大力学不均,导致局部塑性失稳,构件服役寿命缩短。μXRD技术定量表征亚微米尺度局域点阵应变梯度的能力为块体金属结构材料局域损伤研究工作提供了新的思路。(2)孪生行为普遍存在于HCP金属材料的变形过程中,对金属强度和其它物理、机械性能有重要影响。而孪晶的形核、长大及其与取向演化相关的局域应力响应问题依然不清晰。第五章中,结合μXRD和高能同步辐射衍射(Synchrotron-based High Energy X-ray diffraction:HE-XRD)对高纯钛多晶体在拉伸载荷作用下的取向和晶格应变演化进行了原位表征,为孪晶及其与滑移带交互作用导致的不均匀应力场提供了直接实验证据,证明了微孪晶能够协调大应力梯度(达到84MPa/μm)。该原位实验同时揭示了多尺度几何必须结构(孪晶、界面缺陷、位错组态等)在HCP金属形变过程中协调局部高应力梯度以维持塑性应变连续性方面的重要作用。应用HE-XRD对激光冲击纯钛的组织、织构和应力梯度进行了细致表征,原位研究了其在再形变过程中的分层力学演化过程,证明了初始冲击诱发的形变组织对再形变过程中晶间协调转动的阻碍作用。(3)金属增材制造技术是一种具有革命性的高性能结构材料制备工艺,具有不可估量的工业应用价值。第六章中,应用HE-XRD技术,结合EBSD等传统表征手段对两种增材制造成形工艺,同轴送粉(Coaxial Powder Feeding:CPF)和选区熔化(Selected Laser Melting:SLM)方法制备的316L奥氏体不锈钢(FCC结构)单向拉伸过程中的形变特征进行了原位研究,表征了此类直接成形材料形变中的典型应变不均行为,进而证实了增材制造材料特有的复杂晶界、晶内胞状结构对晶粒形变的强烈约束作用,是一种典型的“受限”形变行为,即晶粒旋转(形变再取向)行为被抑制。同时观察到形变过程中晶粒间的应变协同由大量局域形变组织提供:CPF-316L形变中由局域滑移带协调应变梯度;SLM-316L则主要依靠大量孪晶协调变形。该研究工作有助于进一步理解增材制造金属材料的力学行为,帮助评估相关构件的服役稳定性。