结构材料的原子结构、微观组织与宏观性能的关联性是材料研究的核心问题之一，历久弥新。近年来，加速器基中子源大科学装置的建设和相关实验技术取得了长足进步，这为在实时原位条件下深入研究该问题提供了良好的基础。本文介绍了中子衍射、Bragg边成像、小角中子散射、对分布函数分析、准弹性/非弹性中子散射等主要中子表征技术在结构材料中应用的最新进展，着重论述了钢铁材料相变内应力起源与演化、镁合金等轻金属材料的变形机制、基于Bragg边成像的微观结构及残余应力分析，并对今后发展趋势进行了简要展望。

中子衍射依托中子源大科学装置，能够非破坏性地获取材料内部微结构的统计信息，是建立物质微观、介观和宏观结构与性能内在联系的重要表征手段，同时也是航空发动机涡轮盘/叶片、反应堆压力容器等重大技术与装备关键部件内部残余应力定量无损评价的重要方法。本文简要介绍了中子衍射技术测量原理和基本方法，阐述了该技术在材料基础与前沿探索的研究进展，评述了其在工程构件设计、制造、服役及安全评估中的地位与作用。基于新材料和新工艺开发的共性需求，展望了中子衍射技术跨尺度、多参量分析的开发潜力，及其未来在高通量表征中的发展方向。

铝基碳化硅 (SiC/Al)复合材料因其高比模量、高比强度和良好尺寸稳定性等特点广泛应用于精密光学领域。SiC/Al复合材料热处理过程中产生的宏/微观残余应力是影响其尺寸稳定性的关键因素。为了阐明残余应力的降低方法和效果，提高精密光学零件的尺寸稳定性，本工作使用中子衍射和有限元模拟，分析了深冷循环处理对于体积分数为35%的SiC/6092Al复合材料在退火状态下宏微观残余应力的影响，研究了深冷循环次数、样品尺寸、增强相颗粒尺寸和深冷循环温度差等影响因素。结果表明，深冷循环能引起基体塑性应变，从而显著降低退火态SiC/Al复合材料的相应力，并且随着深冷循环次数的增加，单次循环相应力降低效果减弱。深冷循环导致的塑性应变集中在颗粒周围的基体，主要影响颗粒和周围基体的相应力大小，与样品尺寸无明显关联，并且深冷循环不增加退火态样品的宏观残余应力。复合材料多次深冷循环后的相应力降低量与SiC颗粒尺寸无关，并且，多次深冷循环对相应力的降低效果与深冷循环温度差关系较小，100~-196℃和200~-196℃进行多次深冷循环对相应力的改变十分接近。

SiC/Al-Zn-Mg-Cu复合材料力学性能的提升需要充分理解SiC颗粒的添加对Al基体时效析出行为的影响。但由于受到表征手段的限制，其内在机制尚不明确。本工作结合原位小角中子散射、透射电子显微术和拉伸实验等手段，研究了时效温度(100和160℃)对15%SiC (体积分数)增强Al-7.5Zn-1.8Mg-1.7Cu (质量分数，%)复合材料时效析出行为与沉淀强化机制的影响，并与Al-7.5Zn-1.8Mg-1.7Cu合金进行了对比。结果表明，100℃时效时，随着时效时间由0.5 h延长至3 h，复合材料中的析出相由GPI区演变为GPI区+ GPII区，且尺寸明显增加。但由于该温度下时效动力学缓慢，析出相的体积分数仅略有增加。析出相尺寸和体积分数的增加均可以增大位错切过析出相的阻力，从而提升复合材料的沉淀强化能力。160℃时效温度下时效动力学加速，复合材料中析出相的尺寸和体积分数均随时效时间的延长而增加，析出相类型也由时效0.5 h的GPII区+ η'相演变为时效3 h的η'相+ η相。此时的沉淀强化机制以绕过型为主，尽管析出相体积分数的增加有利于提高复合材料的强度，但其尺寸的增大以及强化能力较差的平衡相η相的出现却会削弱强化效果，因此复合材料的屈服强度随时效时间的延长仅有小幅提高。与Al-7.5Zn-1.8Mg-1.7Cu合金相比，100与160℃时效3 h后复合材料的屈服强度均降低，但相关机制并不相同。100℃时效时2种材料中析出相的类型和尺寸大致相同，但复合材料由于SiC/Al界面反应消耗Mg导致析出相的体积分数减少，从而使得沉淀强化能力减弱。160℃时效时加速的时效动力学补偿了Mg消耗引起的析出相体积分数的减少，但复合材料中较低的空位浓度导致析出相粗化且平衡相η相占比增加，这也会削弱其沉淀强化能力。

为了调控W丝增强锆基非晶复合材料在制备过程中产生的残余应力，采用中子衍射技术对不同热处理条件后的W丝增强的非晶复合材料进行应力分布状态的测量。实验结果表明，W丝轴向方向具有强烈的<110>织构和较低的精修残差值(R_wp)，证实了精修数据的准确性。首先，在200℃下回火处理30 min可以有效降低非晶复合材料内部的残余应力；但当回火时间增加到60 min时，其应力会再次增大。通过对W丝进行烧氢处理，发现非晶复合材料内部的残余应力可以有效地降低。另外，非晶复合材料内部的残余应力对W丝直径变化并不敏感。

焊接残余应力是影响焊接成型及焊接部件服役的重要因素。为了优化焊接工艺和焊接接头微观结构，有效地减小焊接残余应力，本工作研究了焊前预处理工艺对电子束焊接钛合金厚板焊接接头组织、性能和残余应力的影响机制。对不同预处理工艺制备的钛合金焊接接头进行组织形貌表征，发现焊前预热显著增宽了焊接接头的熔合区和热影响区，粗化了两区域内的α片层，提高了焊接接头的强韧性匹配。采用中子衍射法、深孔法和轮廓法检测钛合金厚板电子束焊接头残余应力，对3种方法的检测结果进行对比分析，获得了焊接接头不同区域沿不同方向的残余应力分布。另外，对比了2种预热工艺焊接接头采用深孔法获得的残余应力结果，发现焊前预热可以显著降低焊接接头的残余应力。采用数值模拟计算了不同预热温度下温度场和应力场的变化情况，获得了不同预热温度条件下热应力的动态变化规律，揭示了预热降低残余应力的内在机理。对比2种预处理工艺焊接接头熔合区和热影响区的显微组织、元素分布和晶粒取向，进一步阐明了预热可以通过促进元素扩散和诱发变体选择降低β→α相变产生的应力集中。

针对Mg-0.3Al-0.2Ca-0.5Mn合金在热挤压过程中容易形成对称性差的强基面织构从而导致力学性能各向异性的问题，本工作通过稀土元素Ce合金化的方法优化其基面织构进而改善材料的力学性能。利用中子衍射技术，结合SEM和EBSD等微观测试手段，研究稀土元素Ce对Mg-0.3Al-0.2Ca-0.5Mn挤压态镁合金板材的微观组织、体织构和力学各向异性的影响。结果表明，随着Ce含量的增加，挤压态镁合金板材中的第二相颗粒逐渐从Al₈Mn₅转变为Al₈Mn₄Ce和Al₁₁Ce₃，且第二相颗粒数量明显增多。0.05%Ce (质量分数)的添加并未明显改变合金板材的基面织构，而添加0.5%Ce后合金板材沿着挤压方向(ED)的双峰基面织构向双峰非基面织构转变，同时沿横向(TD)分布的丝织构组分明显减少，从而使得沿着ED和TD的拉伸屈服强度比值接近于1，合金板材各向异性显著降低。

增材制造AlSi10Mg合金存在显著的残余应力，对零件的形状尺寸精度、服役安全性和抗腐蚀性能等产生不利影响。在实际应用中，对残余应力敏感的应用需采用去应力退火以消除残余应力。然而，目前对增材制造AlSi10Mg合金退火后力学特性的理解还停留在宏观层面。为了更深入地揭示其微观力学行为与内在机制，本工作利用同步辐射X射线衍射技术，对合金进行原位变形研究，分析Al和Si相的晶格应变应力演化，明确各物相对合金加工硬化率的具体贡献，并对位错密度的演变进行了量化分析，从而阐明了退火热处理对增材制造AlSi10Mg合金载荷传递行为与位错行为的影响。

γ′和γ′′相是镍基高温合金中的重要强化相，为了阐明其在热处理中的析出演化机制，本工作以广泛使用的GH4169合金为对象，采用小角中子散射原位研究了固溶时效热处理中第二相的析出演化行为，并借助TEM对非原位样品进行验证分析。结果表明：合金中第二相主要在时效过程中析出，包括球状γ′相和γ′与γ′′复合相(以γ′′/γ′/γ′′三明治结构为主)。其中，球状γ′相数量随时效进行不断增多；复合相在一级时效中大量形成，但在二级时效中数量变化不大。此外，2类析出相尺寸均在一级时效时逐渐增大，在二级时效时几乎不变。在整个时效过程中，球状γ′相与基体相界面逐渐尖锐，而复合相越来越扁，其界面成分波动始终显著。由此可知，第二相的析出演化行为受控于界面元素扩散机制。

AerMet100超高强度钢以其优异的力学性能广泛应用于飞机起落架。其超高强度主要源于合金回火过程中产生的大量M₂C型针状析出相的二次硬化作用。由于AerMet100高强钢中的纳米析出相与马氏体基体共格且尺寸细小，无法进行萃取，很难采用传统成像手段对其尺寸和成分进行准确表征。本工作结合TEM和XRD的观测结果，采用小角中子散射(SANS)技术分别对454、482、486和498℃回火5 h的AerMet100合金钢中M₂C型针状析出相的尺寸、分布和含量进行了定量表征。通过在SANS实验时施加1.1 T横向磁场并对数据沿平行和垂直磁场方向按角度规约，实现了对数据的核、磁散射分离。对核散射曲线的模型拟合结果显示，合金中针状析出相平均长度为6~16 nm，平均直径为1~2 nm，针状碳化物相的体积分数随退火温度升高由0.54%逐渐提高至5.19%。磁散射数据得到的碳化物结构参数均大于核散射结果，说明在碳化物与马氏体基体相界面存在自旋错排的纳米磁畴区。此外，通过对碳化物和基体相中子核磁散射长度密度的对比计算，推断出针状碳化物的可能的化学组成和密度分别为：(Cr_0.4Mo_1.6)C和8.55 g/cm³。

液-液相变(liquid-liquid phase transition，LLPT)通常发生在多组元金属玻璃超过冷液相区。由于二元合金体系玻璃形成能力有限，LLPT易受结晶干扰，所以二元金属玻璃LLPT的研究鲜有报道。为了揭示二元金属玻璃的液-液相变机制，本工作通过原位同步辐射X射线和透射电子显微镜(TEM)研究了Pd₈₂Si₁₈金属玻璃在超过冷液相区的相变问题。研究发现，在等温退火的初始阶段发生了LLPT，散射结果表明LLPT会降低过冷液体密度，而且使原子结构的关联长度减小。对分布函数结果显示在LLPT过程中，中程尺度上类似于fcc结构的原子-原子连接得到了增强，但短程尺度结构则变得更加无序。TEM结果进一步表明，在LLPT过程中存在纳米尺度的结构不均匀性，印证了LLPT过程的两相共存状态。研究结果为二元合金超过冷液体发生LLPT提供了新的证据，也为揭示金属玻璃中局域结构演变和相变过程提供了新模型。

调控稀土单硅酸盐(RE₂SiO₅)环境障涂层热膨胀系数，优化其与碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)陶瓷基复合材料基体热膨胀系数匹配性，是其应用于高推比航空发动机的关键。本工作基于RE₂SiO₅/Yb₂Si₂O₇/Si三层结构涂层体系，对比研究了采用与基体热膨胀系数匹配优的(Y_1/4Ho_1/4Er_1/4Yb_1/4)₂SiO₅面层与典型Yb₂SiO₅面层涂层体系的抗热冲击性能，发现Yb₂SiO₅面层热膨胀系数偏大造成的应力累积，是导致三层结构涂层失效的主要原因。依据中子衍射数据，分析中子对分布函数，对2种单硅酸盐局域结构特征进行解析。结果表明，高熵稀土单硅酸盐中多种稀土元素协同作用，降低了[ORE₄]四面体畸变程度，表现为热膨胀系数减小。提出通过合理选择稀土元素组合，扰动[ORE₄]局域结构畸变，有望实现稀土单硅酸盐热膨胀系数的定向调控。

苯胺是一种重要的基础化工原料，在医药、染料、橡胶等领域被广泛应用。以硝基苯为原料通过液相催化加氢制备苯胺是目前主要工业生产方法之一，然而，如何从液相加氢反应体系中将催化剂高效分离和回收仍然是该领域的一个重要挑战。本工作开发了一种具有磁可分的C包覆Ni磁性载体负载Pt金属催化剂，用于高效催化硝基苯加氢制苯胺。以乙二胺四乙酸和Ni(OH)₂为原料成功合成了N掺杂石墨烯包覆Ni纳米颗粒磁性载体(Ni@NG)，采用沉积-沉淀法制备Ni@NG负载Pt金属催化剂(Pt/Ni@NG)，通过Raman光谱、TEM、XRD和XPS对制备的Pt/Ni@NG催化剂进行结构表征。结果表明，这种Ni@NG载体具有典型的核壳结构(纳米Ni颗粒为核，石墨烯为壳层)。XPS结果表明Ni@NG载体表面N掺杂石墨烯壳含有3.64%N (原子分数)。当Pt负载量(质量分数)从0.1%增加到0.5%时，Pt在石墨烯壳层表面的分散状态经历了单原子、团簇、颗粒的转变过程。当Pt负载量为0.3%时，以Pt团簇形式分散为主的Pt/Ni@NG催化硝基苯加氢显示出最高的活性，在反应压力为1 MPa和反应温度为30℃时，硝基苯加氢的周转频率为27239.2 h^-1，硝基苯在60 min内完全转化为苯胺。此外，由于Pt/Ni@NG催化剂具有优异的液相磁可分性能，催化剂经5 cyc使用后加氢活性未明显降低。

很多二元Cr-Te化合物具有NiAs结构，其中金属Cr原子出现不同程度的有序缺位。Cr₅Te₈有三方和单斜2种结构，本工作采用粉末X射线和中子衍射结合Rietveld全谱拟合，确定了用自助溶剂生长的三方Cr₅Te₈单晶具有P\overline{\mathrm{3}}m1晶体结构，点阵参数a = 0.3900 nm，c = 0.5986 nm。粉末中子衍射实验揭示Cr₅Te₈是磁矩沿c方向的共线铁磁化合物，a方向具有小的负热膨胀，c方向显示正常热膨胀。以最低温3.3 K为参考温度点，在3.3~300 K温度范围内，a方向平均热膨胀系数为-10.7 × 10^-6 K^-1，c方向平均膨胀系数为52.4 × 10^-6 K^-1。[101]、[302]和[201]取向的Cr₅Te₈具有近零热膨胀，具备应用前景。Cr₅Te₈的反常热膨胀与其磁有序没有明显关联，可能与晶格中存在大量的Cr空位有关。