導讀：在過(guò)去的十年中，深度塑性變形(SPD)技術(shù)的發(fā)展取得了重大進(jìn)展，以在各種材料中實(shí)現新的和優(yōu)越的性能。本文回顧了這些領(lǐng)域的研究成果，并探討了進(jìn)一步研究和發(fā)展的前景。SPD處理在納米尺度上提供了強烈的晶粒細化，并產(chǎn)生非常高的位錯和點(diǎn)缺陷密度，以及與顆粒溶解、沉淀或非晶化相關(guān)的不尋常的相變。這種SPD誘導的納米結構特征強烈影響變形和傳輸機制，可以大大提高先進(jìn)材料的性能。利用這些知識，討論了金屬和合金的納米結構設計的概念，以獲得高強度和導電性、超塑性、增加的輻射和耐腐蝕等多功能性能；特別強調了促進(jìn)醫學(xué)創(chuàng )新應用的先進(jìn)金屬生物材料。

SPD處理可以引入有效的晶粒細化以及非典型的相變。這些過(guò)程導致了納米尺度上特殊的非平衡結構特征的形成，如主要位于晶界(GB)的高位錯密度、納米孿晶、合金中的固溶體分解導致納米沉淀物的形成，以及合金元素在GB區域分離的重分布。特別值得注意的是SPD誘導的擴散和位移(馬氏體)相變的不尋常組合。

這些SPD誘導的納米結構特征影響了SPD材料的變形機制，并導致其性能的大幅提高，這是傳統工藝無(wú)法達到的。利用這一知識為通過(guò)SPD處理形成納米結構設計的概念，以及在UFG材料中進(jìn)化出優(yōu)越的多功能性能開(kāi)辟了一條新的途徑。在過(guò)去的十年中，SPD處理技術(shù)的發(fā)展和優(yōu)化取得了顯著(zhù)的進(jìn)展，以獲得更好的性能。這些發(fā)展要么與傳統SPD技術(shù)的改進(jìn)有關(guān)，以促進(jìn)其商業(yè)化(如提高加工技術(shù)的效率和減少材料浪費)，要么與SPD制度的優(yōu)化和兩種或兩種以上SPD加工技術(shù)相結合時(shí)復雜SPD加工路線(xiàn)的開(kāi)發(fā)有關(guān)。將復雜的SPD加工路線(xiàn)應用于金屬材料可以進(jìn)一步細化微結構，從而進(jìn)一步降低晶粒尺寸，大大提高性能。多種加工技術(shù)的結合為UFG金屬材料的織構設計提供了一種額外的工具，以進(jìn)一步控制微觀(guān)組織和性能的各向異性。

在此，俄羅斯烏法國立航空技術(shù)大學(xué)的Ruslan Z. Valiev聯(lián)合英國南安普頓大學(xué)的Terence G. Langdon等對先進(jìn)SPD處理的最新成就進(jìn)行了批判性的回顧，重點(diǎn)關(guān)注在早期評論中沒(méi)有得到適當注意的發(fā)展。在開(kāi)始部分簡(jiǎn)要介紹了最流行(經(jīng)典)的SPD處理技術(shù)的歷史發(fā)展和簡(jiǎn)要概述。第2.1節描述了改進(jìn)的SPD處理技術(shù)和制度，然后在第2.2節介紹了應用于各種金屬和合金納米結構的復雜SPD處理路線(xiàn)。第三節和第四節介紹和討論了通過(guò)先進(jìn)的SPD工藝制備的UFG材料的微觀(guān)結構特征，以及通過(guò)SPD設計納米結構以獲得優(yōu)異的力學(xué)和功能性能的主要原理。通過(guò)先進(jìn)的SPD處理的UFG金屬的現有和潛在應用在第4節中進(jìn)行了概述和討論。相關(guān)研究成果以題Using Severe Plastic Deformation to Produce Nanostructured Materials with Superior Properties發(fā)表在綜述頂刊ANNUAL REVIEWS上。

鏈接：https://www.annualreviews.org/doi/10.1146/annurev-matsci-081720-123248

深度塑性變形加工是制備塊狀超細晶粒金屬和合金的最有效方法之一。這一領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng )性研究已經(jīng)進(jìn)行了超過(guò)25年。圖1顯示了最近SPD研究活動(dòng)的增長(cháng)。最近發(fā)表的幾篇綜述文章和書(shū)籍全面描述了SPD研究的大多數趨勢，涵蓋了SPD處理過(guò)程中納米結構材料的不同方面，如SPD技術(shù)的模擬和發(fā)展;各種材料的晶粒細化及其機理，如純金屬、模型合金和商用合金、金屬間化合物以及一些陶瓷和聚合物;以及SPD納米結構材料優(yōu)異性能的基礎和創(chuàng )新潛力。

圖1 大量關(guān)于嚴重塑性變形和高壓扭轉的研究論文。數據收集于2020年4月23日Scopus網(wǎng)站，統計發(fā)表在同行評議期刊上的論文，包括通過(guò)評審過(guò)程篩選的論文。

連續壓制是Segal等人在著(zhù)名的Conform工藝基礎上提出的一種長(cháng)桿連續簡(jiǎn)單剪切工藝。ECAP與規范(ECAP- c)程序是首次開(kāi)發(fā)并用于商業(yè)純鋁的晶粒細化到650納米。今天，這種技術(shù)被稱(chēng)為ECAP-C工藝(圖2)，并已在世界各地的實(shí)驗室中使用。

圖2 (a)等通道角壓順應(ECAP-C)裝置的示意圖和(b)六次ECAP-C后的鋁坯料。

圖3 高壓滑動(dòng)示意圖。(a)兩個(gè)帶有導向銷(xiāo)的砧、一個(gè)柱塞和兩個(gè)薄片樣品的組裝。(b)裝配截面圖。

圖4 銅經(jīng)過(guò)等通道角擠壓(ECAP) (a - d)和隨后滾動(dòng)的ECAP (e - h) (a,e)、兩道(b,f)、四道(c,g)或十道(d,h)后的電子背散射衍射(EBSD)取向圖。在EBSD圖上，低角邊界(2°≤θ < 15°)和高角邊界(θ≥15°)分別用黑白線(xiàn)表示?？s寫(xiě):ED，擠出方向;ND,法線(xiàn)方向;RD,軋制方向;TD,橫向方向。

圖5 等徑角擠壓Al 6016試樣中位錯胞或亞晶界的相對頻率與取向角的關(guān)系。(a) 1次，(b) 2次，(c) 4次，(d) 8次，并在每個(gè)直方圖上疊加一個(gè)Mackenzie圖(即隨機紋理多晶體的定向角分布)。

圖6 超細晶粒銅經(jīng)等徑角擠壓和隨后的冷軋處理后的典型高密度變形孿晶晶粒的透射電鏡圖像。(a)白色箭頭表示孿晶的位置，并提供該區域的衍射圖樣。(b)插圖是該區域的高分辨率透射電子顯微鏡圖像，顯示了其原子-晶體結構。

圖7 Al-Zn-Mg-Cu合金等徑角擠壓八道次后多晶區原子探針層析元素圖。(a) Mg， (b) Cu，和(c) Zn在三個(gè)晶界(gb): GB1, GB2和GB3。紅色箭頭表示GBs的位置。

圖8 偏析存在時(shí)位錯環(huán)的擴張。藍色和紅色的橢圓分別表示阻礙和促進(jìn)循環(huán)擴張。(a,b)位錯環(huán)的兩端(a和b)，在外加載荷的作用下成核和膨脹，被偏析釘住。(a)脫位滑移面上的投影顯示分離誘導的釘扎。(b)晶界平面上的投影表明，偏析可以促進(jìn)或阻礙位錯環(huán)的擴張，這取決于pin是強還是弱。(c)通過(guò)增加施加的載荷，如果分離誘導的釘扎較強，位錯環(huán)的擴展通過(guò)其弓出實(shí)現。(d)若釘扎較弱，則通過(guò)A點(diǎn)和B點(diǎn)的解釘和橫向運動(dòng)來(lái)實(shí)現環(huán)擴張。

圖9 納米結構與納米顆粒的示意圖，實(shí)現了高強度，良好的導電性，并增強了銅和鋁合金的熱穩定性。黑色箭頭表示平均超細晶粒(D < 500 nm)(六邊形)，黑色線(xiàn)條表示不同直徑的納米顆粒。

圖10 (a) 手術(shù)后的全景 X 射線(xiàn)照片和 (b) 植入植入物后獲得的對照射線(xiàn)照片，來(lái)自納米結構 4 級鈦的 2.0 毫米直徑 Nanoimplant?。(c) 由納米結構 4 級 Ti (110) 制成的帶有六個(gè)孔的微型板的圖像。

這一綜述的結果清楚地證明了SPD的處理可以在塊體納米結構材料中產(chǎn)生優(yōu)異的性能?；谀壳耙延械难芯?，關(guān)于這些特殊性質(zhì)的潛在機制的重要信息已經(jīng)存在，為這些材料在新的結構和功能上的實(shí)際應用開(kāi)辟了新的可能性。最近的發(fā)現表明SPD處理在改善這些材料的其他物理和化學(xué)性質(zhì)方面有新的機會(huì )。這些性質(zhì)在這篇綜述中只簡(jiǎn)要地提到，但近年來(lái)取得了相當大的進(jìn)展。例如，這些技術(shù)包括超導性、熱電性、巨磁電阻、氫存儲能力的提高以及生物相容性的提高。

現代材料科學(xué)的一個(gè)普遍規則是，20世紀的任何材料突破，從最初的創(chuàng )新時(shí)間，大約需要20年的時(shí)間來(lái)獲得廣泛的市場(chǎng)接受。由SPD處理產(chǎn)生的塊狀納米結構金屬材料似乎也在沿著(zhù)這條軌道發(fā)展。雖然最初的開(kāi)發(fā)和研究始于20世紀90年代初，但近年來(lái)在這些材料的商業(yè)化方面有了非常重大的發(fā)展。具有新功能的先進(jìn)試驗品的廣泛生產(chǎn)尤其說(shuō)明了這一點(diǎn)。

塊體納米結構金屬的應用和商業(yè)化有三個(gè)主要優(yōu)勢:顯著(zhù)的優(yōu)越性能，使用SPD處理技術(shù)(如ECAP-C)高效制造的潛力，以及使用這些材料生產(chǎn)尖端產(chǎn)品的可能性。此外，這些新應用中的許多都涉及或將涉及極端環(huán)境條件，既需要特殊的強度，又需要改善功能性能。

可以合理地預期，在不久的將來(lái)，通過(guò)SPD處理的材料的納米結構將會(huì )在開(kāi)發(fā)具有高級結構和功能應用的優(yōu)良固體材料方面帶來(lái)新的突破。