《Materials Today Communications》：Method for Quantitative Mapping of Hydrogen Transport by Operando Scanning X-Ray Diffraction Microscopy
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研究人员建立了一种基于工况扫描X射线衍射显微镜（Operando Scanning X-ray Diffraction Microscopy，SXRDM）的定量方法，用于绘制金属材料中氢传输引起的晶格应变演化图。该方法利用高能同步辐射X射线（83 keV）微米
研究人员建立了一种基于工况扫描X射线衍射显微镜（Operando Scanning X-ray Diffraction Microscopy，SXRDM）的定量方法，用于绘制金属材料中氢传输引起的晶格应变演化图。该方法利用高能同步辐射X射线（83 keV）微米级束斑（5 μm × 20 μm）对试样进行蛇形扫描，并通过方位角积分与峰位拟合将时间分辨的二维衍射图像转换为空间分辨的晶格应变分布。针对长时间扫描中试样与光束间的相对位置漂移，研究人员采用阶跃函数拟合衍射强度边缘轮廓以量化漂移量，并利用三次插值将晶格间距重新映射至原始空间坐标系。经校正后，应变不确定度从表面处的（5.6±2.1）×10?4和体相内的（7.5±6.4）×10?5降低至约1×10?5。在Hybrid 55马氏体钢的原位充氢实验中，校正后的应变图清晰显示了菲克型扩散前沿，由扩散特征长度和时间估算的表观氢扩散系数约为5×10?13 m2 s?1。该方法可非破坏性地实现氢传输的实时、空间分辨定量表征，并可推广至其他间隙或置换原子扩散及相变过程。
X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是表征晶体结构、相演变和晶格应变的基础手段。在工况条件下，XRD能提供时间分辨的动态过程信息。将微米尺寸X射线束与受控扫描策略结合，可发展为Operando扫描X射线衍射显微镜（Scanning X-ray Diffraction Microscopy，SXRDM），实现衍射和晶格应变随空间与时间的演化成像。目前定量实现主要依赖同步辐射高能XRD，因为其高亮度、相干性、能量和穿透深度可提供微米级空间分辨率和快速时间分辨测量。然而，已有研究多展示潜力，尚未建立涵盖实验设计、数据处理、伪影识别和定量解释的完整方法论。其中一个关键挑战是，长时间微米级扫描中，试样与X射线束之间的相对位置漂移会产生人工衍射峰位移，其幅度可与真实晶格应变相当。若未校正，这些系统伪影会导致应变演化和传输行为的错误解释。因此，研究人员旨在将SXRDM建立为稳健的定量方法，并以Hybrid 55马氏体钢作为代表性材料体系进行验证。研究人员搭建了集成电化学充氢、拉伸加载和精密扫描的同步辐射实验装置，在DESY P21.2线站上对厚度约0.4 mm的狗骨形Hybrid 55试样进行原位充氢实验。通过连续扫描整个试样厚度，获得时间分辨的衍射图像；经积分、峰拟合转换为深度-时间分辨的晶格应变图。针对扫描过程中出现的约5.6 μm系统漂移，提出基于强度轮廓拟合的量化方法和三次插值重映射的校正流程。校正后，应变误差从表面约5×10
?4、体相约7×10
?5降至约10
?5，并清晰解析出氢扩散前沿。研究表明，SXRDM可对金属中氢传输进行实时、非破坏性的定量作图，为研究氢脆和扩散行为提供了新工具。研究人员使用了以下主要方法：1）高能同步辐射X射线衍射：在DESY P21.2线站采用83 keV光子能量，聚焦束斑5 μm（垂直）×20 μm（水平），透射几何下获取完整德拜环；2）蛇形光栅扫描：以5 μm垂直步距扫描，范围超出试样表面各50 μm，周期5.5 min，获得深度和时间分辨数据；3）二维到一维积分与峰拟合：使用pyFAI套件进行方位角积分，并采用“caking”划分为36个10°方位扇区，用xrdfit以伪Voigt函数拟合峰位；4）漂移量化与校正：用阶跃函数拟合试样边缘衍射强度轮廓，计算漂移位移，再对晶格间距剖面进行三次插值重映射。样本为退火态的Hybrid 55高强马氏体钢（0.2C–5Cr–6Ni–2Al–0.7Mo–0.5V），由Ovako AB提供。研究结果：1. 应变可视化（Strain Visualisation）：研究人员将校正后的晶格应变数据绘制为深度-时间等高线图。在90°方位（垂直加载方向）的图中，未校正图呈现交替拉压的人为条带；经漂移校正后，从试样表面开始出现随时间向内推进的菲克型扩散前沿。利用扩散前沿深度（4 h约120 μm）和特征扩散时间估算表观氢扩散系数约为5×10
?13 m
2 s
?1。2. 漂移校正的验证（Validation of the Shift Correction Procedure）：研究人员通过无充氢、无加载的参考测量评估应变不确定度。校正前，应变误差在表面为（5.6±2.1）×10
?4，体相内为（7.5±6.4）×10
?5；校正后表面和体相均降至约10
?5。同时，氢致膨胀估算仅约20 nm，远小于测量的5.6 μm漂移，且两个表面向同一方向移动，排除了膨胀伪影。该校正对微米级束斑的高分辨率SXRDM尤为重要。3. 校正应变图的解释（Interpretation of Corrected Strain Maps）：校正后应变图显示拉应变约4×10
?5，显著高于测量不确定度。结合密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）模拟给出的晶格应变与氢浓度线性关系，研究人员将应变剖面转换为氢饱和度曲线。在40 μm深度处，应变平台约为6×10
?5；氢扩散系数随氢饱和度增加而增大超过一个数量级，这一现象与氢陷阱填充机制一致。讨论部分指出，SXRDM不仅能绘制应变图，还可同时记录衍射峰位移、强度变化、峰宽变化和相变信息；方位分辨分析可提供平行和垂直于加载方向的取向相关结果。漂移伪影的影响随空间分辨率提高而加剧，因此校正流程是定量解释的前提。研究结论认为，该方法建立了SXRDM作为定量氢传输成像技术的框架；通过高能同步辐射衍射与微米扫描结合，可跟踪晶格间距随时间和位置的变化，间接测量氢吸收。关键实验限制是长时间扫描中出现的试样-光束相对位移，可能源于定位系统热/机械漂移或束位置变化；仅数微米漂移就会使同一扫描坐标对应不同材料体积，造成伪应变。所开发的校正程序恢复了空间对应，将残余应变不确定度降至约10
?5。校正后的应变图证明SXRDM能实时跟踪氢致晶格应变演化和扩散前沿移动，从而为氢传输提供空间和时间分辨的定量信息，并可扩展到其他扩散及相变过程。
