作为自然界中最为重要的元素和最为典型的过渡金属,铁在高温-高压下具有丰富的物相。铁的冲击相变是冲击波物理、材料科学和冲击动力学研究中一个长久以来广受关注的基础科学问题。多年来,人们通过大量的实验和理论研究工作,获取了铁的相结构、相变序列和相界等信息,并发现涉及动力学的非平衡相变特征。即便如此,由于缺乏合适的实验观测和理论分析手段,对于支配其动态性能及相变过程的微观机理及影响因素所知甚少,仍存在一些令人困惑的科学问题。例如:不同实验诊断方法给出的相界和热力学相图并不相同,如何解释?动压、静压之间是否存在差异,若存在其物理机制是什么?BCC→HCP相转变路径与晶向相关性的理论预测有很大差异,是否存在中间态FCC相?如何甄别?对于这些基础问题的回答,一方面缺乏系统性、规律性的动态实验数据给予支持,另一方面,缺乏对相变各阶段微观物理图像的实时表征,对于理论预测缺乏关键的实验证据。因此,针对铁的高温-高压相图差异和结构稳定性机制问题,本研究从动高压实验着手,以确定相边界和相变序列及其随路径的变化关系,并揭示相变过程的基本物理图像。主要开展以下两方面的工作:在相变热力学方面,精确测定动高压固-固、固-液相界,获取不同路径、初始温度的相结构及相界信息,并确定固-液相界与压力的定量关系,回答动、静高压相图的争议;在相变动力学方面,揭示BCC→HCP相变起源及影响因素,系统获取相变序列的晶向依赖性,表征相结构演化的原子信息,从微观晶格层面甄别相转变的迁移路径、转变速率等微观机制。本文取得的创新性研究结果归纳如下:1、针对冲击相变实验加载和诊断能力的不足,发展更精细、更先进的多尺度原位诊断技术,为掌握动态压缩下宏-微观结构演化及相变的直接信息提供了关键的技术支撑。取得的主要进展包括:1)基于电阻丝加热高温靶技术,建立了室温至1000K的初温控制能力,拓宽了动态相图的可测热力学空间,解决了高温样品冲击Hugoniot诊断的技术问题,实现Hugoniot参数和速度剖面(或界面温度)的同时获取;2)发展了激光驱动瞬态X射线衍射技术,实现了单发实验中静态与动态衍射信号的同时获取,并结合泵浦-探测时序控制,建立了动态压缩条件下材料晶格响应及其演化过程的原位测量方法;2、针对动/静高压相图的争论,精确确定了冲击加载下铁的固-固、固-液相界,获取的新物理认识包括:1)在室温至820K的预加热-冲击实验中,发现了相变起始压力的温度依赖性,其变化速率Δσtr/AT在700 K以下为-6.91MPa/K,而更高温度时为-34.7 MPa/K,确定的α-ε-γ三相点(10.6±0.53 GPa、763 K)与静高压相图符合,回至早期的实验认可值,不存在前人动高压实验的相界偏离;2)高应变率激光加载实验结果揭示,加载速率的增加不仅导致α-ε相边界偏离(相变起始压力高达17.5 GPa),而且使隐含相变速率信息的自由面层裂强度显著增加;3)基于体材样品的熔化温度测量给出铁的冲击固-液相界,最高冲击压力至250 GPa,获取的熔化线完全支持静高压快速X射线衍射实验和第一性原理计算,并得到动态X射线衍射实验的佐证。至此,我们基本澄清了动/静高压熔化线差异的争议,支撑其多相物态方程的可靠评估;3、针对BCC→HCP相转变路径理论预测的认识分歧,获取了结构相变与晶向关联的系统性、规律性实验数据。新的物理认识包括:1)首次观测到单晶铁中异于多晶铁的高强度屈服行为(>6GPa)及其随晶向的变化规律(σPT111>σPT110>σPT100),实测相变起始压力的晶向相关性(σPT111>σPT110>σPT100)支持了 NEMD的理论预测,且实测值更低,不同晶向的波剖面传播特性均揭示出塑性响应与相变的耦合;2)发现[100]晶向的相变经历单轴向压缩同时初步滑移扭转和继续滑移形成HCP结构的两个步骤,为有序相变,从晶格层面支持相转变路径的“两步走”机制;且渡越时间在2～3.5 ns内,符合相变速率随加载压力增加呈线性减小的规律。而[111]和[110]晶向在观测时间(>4ns)和加载压力(～23.9和44.7 GPa)内仍为BCC结构的体压缩,出现超饱和临界现象。即,新的宏-微观实验数据及规律性认识提升了对铁相变动力学机理的认知水平。