密排六方结构的稀有轻金属铍(Be)作为一种特殊的结构功能材料,在核能、航空航天等领域有着重要的应用前景,如用于聚变堆第一壁材料、惯性导航器件等。金属铍具有众多独特优异的性能,其力学性能、变形机制、残余应力变化备受广泛关注。本文主要针对金属铍进行中子衍射应力分析研究,以变形机制和残余应力测试为两条主线,具体开展了室温原位加载实验、残余应力测量实验、外层金属影响测试和安全防护装置设计四个方面的工作。第一部分,主要是研究不同初始微观结构对多晶金属铍压缩力学性能的影响及作用机理。通过室温准静态(应变率10-3s-1)、高温准静态(600℃、应变率10-3s-1)和室温动态(应变率103s-1)预压缩变形分别实现金属铍内部三种不同微观结构的形成,进而实现多晶金属铍宏观压缩力学性能的调节。实验发现,三种不同初始微结构样品中,室温准静态预压样品压缩力学响应最硬,而室温动态预压样品最软,高温准静态预压样品居中。通过显微组织、宏观织构以及原位中子衍射力学实验测试表明,室温准静态预压样品形成“弱织构”型初始微结构,微观力学响应上表现为(00.2)晶面优先受力,且由于引入一定位错使形变硬化效应相较于其它试样更为明显;而室温动态预压样品形成“强织构”型初始微结构且存在一些微孔洞,微观力学响应上表现为(00.2)晶面主要受力,微孔洞参与部分应力配分抑制了形变硬化效应;高温准静态预压样品形成的“随机取向”型初始微结构,微观力学响应上表现为初期各晶面均等受力、(11.0)晶面逐渐受力增加,且位错密度降低使内部协调变形相对容易。上述研究发现表明,通过不同尺度上微观结构的协同配合可以实现宏观力学性能的调节,由此启发可基于微观结构工程思想定制满足特定服役场景需求的性能。第二部分,主要是结合工程应用实际,开展不同构型铍材焊接件的残余应力测试工作。选取铍&铍环、铍&钢环、铍&铍片、铍&钢片四种不同的焊接件,以铍(11.0)晶面、钢(31.1)晶面为测试晶面,对其距离焊缝中心不同深度的径向、轴向、切向进行三维残余应力测量,对比研究不同构型不同材料组合焊接件的残余应力分布,并探索其残余应力分布规律。实验发现,同种铍&铍材料焊接,无论是圆环型还是圆片型,所产生的热应力均不大,轴向主要表现为拉应力,切向主要表现为压应力;两种构型之间应力分布相差不大,但片状构型轴向应力变化幅度随着与中心的距离的增大而减小;异种铍&钢材料焊接,产生的热应力相对前者较大,其应力数值大小随着与焊缝的距离的增大而减小,铍钢之间出现拉压不平衡,呈现出铍材轴向受拉、切向受压,钢材轴向受压、切向受拉,铍和钢的拉压受力关系正好相反的特点;两种构型之间有较大差异,圆环型的主要受力方向表现为切向、轴向,而圆片型的主要受力方向表现为轴向,并且相比两种材料,钢材的应力分布比较稳定,而铍材的的应力分布则表现出复杂性。通过总结不同构型、不同工艺铍材焊接残余应力的分布规律,从而为相关的工程应力提供技术支撑和借鉴。第三部分,以钢铍组合为例,研究外层金属对结构内部铍材中子衍射应变和应力测试的影响。通过在一块5 mm厚度的铍片表面先后放置三种不同厚度(1mm、2 mm和3 mm)的不锈钢片,开展钢铍组合件外部不锈钢厚度对内部铍材中子衍射峰形态和强度的影响。实验发现,随着外部不锈钢厚度的增加,内部铍材的中子衍射峰强度将减弱,衍射峰位将逐渐向高角度方向偏移,二者与不锈钢厚度的关系呈线性变化;对钢铍组合件内部铍材中子衍射应变和应力测试应进行修正,修正后的真实应变和应力均高于测试应变和应力,修正公式分别为:εtrue=εm+90·t,σtrue=σm+27·t,其中t为不锈钢厚度。第四部分,主要是针对第一部分中的室温原位拉伸实验和下一步将要开展的高温原位加载实验进行相应的安全防护装置配套设计。主要包括系统设计搭建和装置研发配套,具体在密封拉伸装置研制方面,设计研制了一种用于中子散射实验中金属铍的室温力学加载装置,可确保样品断裂后产生的金属铍粉末不会泄露到密封腔外,能够有效防止实验人员受到金属铍粉末危害的风险,并研制了与中子衍射力学加载装置配套使用的专用压缩夹具;浓度检测装置配套方面,根据国标相应标准和检测方法,确定了采取桑色素荧光分光光度法对工作场所中铍粉末的浓度进行检测,并配套完成了综合性能较好的Lumina荧光分光光度计;净化除尘系统设计方面,结合场地实际情况和特排标准,设计制定了关于金属铍力学实验产生的粉末和蒸汽的净化系统方案。