顶刊综述：强塑性变形生产优异性能的纳米结构材料！

导读：在过去的十年中，深度塑性变形(SPD)技术的发展取得了重大进展，以在各种材料中实现新的和优越的性能。本文回顾了这些领域的研究成果，并探讨了进一步研究和发展的前景。SPD处理在纳米尺度上提供了强烈的晶粒细化，并产生非常高的位错和点缺陷密度，以及与颗粒溶解、沉淀或非晶化相关的不寻常的相变。这种SPD诱导的纳米结构特征强烈影响变形和传输机制，可以大大提高先进材料的性能。利用这些知识，讨论了金属和合金的纳米结构设计的概念，以获得高强度和导电性、超塑性、增加的辐射和耐腐蚀等多功能性能；特别强调了促进医学创新应用的先进金属生物材料。

SPD处理可以引入有效的晶粒细化以及非典型的相变。这些过程导致了纳米尺度上特殊的非平衡结构特征的形成，如主要位于晶界(GB)的高位错密度、纳米孪晶、合金中的固溶体分解导致纳米沉淀物的形成，以及合金元素在GB区域分离的重分布。特别值得注意的是SPD诱导的扩散和位移(马氏体)相变的不寻常组合。

这些SPD诱导的纳米结构特征影响了SPD材料的变形机制，并导致其性能的大幅提高，这是传统工艺无法达到的。利用这一知识为通过SPD处理形成纳米结构设计的概念，以及在UFG材料中进化出优越的多功能性能开辟了一条新的途径。在过去的十年中，SPD处理技术的发展和优化取得了显著的进展，以获得更好的性能。这些发展要么与传统SPD技术的改进有关，以促进其商业化(如提高加工技术的效率和减少材料浪费)，要么与SPD制度的优化和两种或两种以上SPD加工技术相结合时复杂SPD加工路线的开发有关。将复杂的SPD加工路线应用于金属材料可以进一步细化微结构，从而进一步降低晶粒尺寸，大大提高性能。多种加工技术的结合为UFG金属材料的织构设计提供了一种额外的工具，以进一步控制微观组织和性能的各向异性。

在此，俄罗斯乌法国立航空技术大学的Ruslan Z. Valiev联合英国南安普顿大学的Terence G. Langdon等对先进SPD处理的最新成就进行了批判性的回顾，重点关注在早期评论中没有得到适当注意的发展。在开始部分简要介绍了最流行(经典)的SPD处理技术的历史发展和简要概述。第2.1节描述了改进的SPD处理技术和制度，然后在第2.2节介绍了应用于各种金属和合金纳米结构的复杂SPD处理路线。第三节和第四节介绍和讨论了通过先进的SPD工艺制备的UFG材料的微观结构特征，以及通过SPD设计纳米结构以获得优异的力学和功能性能的主要原理。通过先进的SPD处理的UFG金属的现有和潜在应用在第4节中进行了概述和讨论。相关研究成果以题“Using Severe Plastic Deformation to Produce Nanostructured Materials with Superior Properties”发表在综述顶刊ANNUAL REVIEWS上。

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

深度塑性变形加工是制备块状超细晶粒金属和合金的最有效方法之一。这一领域的开创性研究已经进行了超过25年。图1显示了最近SPD研究活动的增长。最近发表的几篇综述文章和书籍全面描述了SPD研究的大多数趋势，涵盖了SPD处理过程中纳米结构材料的不同方面，如SPD技术的模拟和发展;各种材料的晶粒细化及其机理，如纯金属、模型合金和商用合金、金属间化合物以及一些陶瓷和聚合物;以及SPD纳米结构材料优异性能的基础和创新潜力。

图1 大量关于严重塑性变形和高压扭转的研究论文。数据收集于2020年4月23日Scopus网站，统计发表在同行评议期刊上的论文，包括通过评审过程筛选的论文。

连续压制是Segal等人在著名的Conform工艺基础上提出的一种长杆连续简单剪切工艺。ECAP与规范(ECAP- c)程序是首次开发并用于商业纯铝的晶粒细化到650纳米。今天，这种技术被称为ECAP-C工艺(图2)，并已在世界各地的实验室中使用。

图2 (a)等通道角压顺应(ECAP-C)装置的示意图和(b)六次ECAP-C后的铝坯料。

图3 高压滑动示意图。(a)两个带有导向销的砧、一个柱塞和两个薄片样品的组装。(b)装配截面图。

图4 铜经过等通道角挤压(ECAP) (a - d)和随后滚动的ECAP (e - h) (a,e)、两道(b,f)、四道(c,g)或十道(d,h)后的电子背散射衍射(EBSD)取向图。在EBSD图上，低角边界(2°≤θ < 15°)和高角边界(θ≥15°)分别用黑白线表示。缩写:ED，挤出方向;ND,法线方向;RD,轧制方向;TD,横向方向。

图5 等径角挤压Al 6016试样中位错胞或亚晶界的相对频率与取向角的关系。(a) 1次，(b) 2次，(c) 4次，(d) 8次，并在每个直方图上叠加一个Mackenzie图(即随机纹理多晶体的定向角分布)。

图6 超细晶粒铜经等径角挤压和随后的冷轧处理后的典型高密度变形孪晶晶粒的透射电镜图像。(a)白色箭头表示孪晶的位置，并提供该区域的衍射图样。(b)插图是该区域的高分辨率透射电子显微镜图像，显示了其原子-晶体结构。

图7 Al-Zn-Mg-Cu合金等径角挤压八道次后多晶区原子探针层析元素图。(a) Mg， (b) Cu，和(c) Zn在三个晶界(gb): GB1, GB2和GB3。红色箭头表示GBs的位置。

图8 偏析存在时位错环的扩张。蓝色和红色的椭圆分别表示阻碍和促进循环扩张。(a,b)位错环的两端(a和b)，在外加载荷的作用下成核和膨胀，被偏析钉住。(a)脱位滑移面上的投影显示分离诱导的钉扎。(b)晶界平面上的投影表明，偏析可以促进或阻碍位错环的扩张，这取决于pin是强还是弱。(c)通过增加施加的载荷，如果分离诱导的钉扎较强，位错环的扩展通过其弓出实现。(d)若钉扎较弱，则通过A点和B点的解钉和横向运动来实现环扩张。

图9 纳米结构与纳米颗粒的示意图，实现了高强度，良好的导电性，并增强了铜和铝合金的热稳定性。黑色箭头表示平均超细晶粒(D < 500 nm)(六边形)，黑色线条表示不同直径的纳米颗粒。

图10 (a) 手术后的全景 X 射线照片和 (b) 植入植入物后获得的对照射线照片，来自纳米结构 4 级钛的 2.0 毫米直径 Nanoimplant®。(c) 由纳米结构 4 级 Ti (110) 制成的带有六个孔的微型板的图像。

这一综述的结果清楚地证明了SPD的处理可以在块体纳米结构材料中产生优异的性能。基于目前已有的研究，关于这些特殊性质的潜在机制的重要信息已经存在，为这些材料在新的结构和功能上的实际应用开辟了新的可能性。最近的发现表明SPD处理在改善这些材料的其他物理和化学性质方面有新的机会。这些性质在这篇综述中只简要地提到，但近年来取得了相当大的进展。例如，这些技术包括超导性、热电性、巨磁电阻、氢存储能力的提高以及生物相容性的提高。

现代材料科学的一个普遍规则是，20世纪的任何材料突破，从最初的创新时间，大约需要20年的时间来获得广泛的市场接受。由SPD处理产生的块状纳米结构金属材料似乎也在沿着这条轨道发展。虽然最初的开发和研究始于20世纪90年代初，但近年来在这些材料的商业化方面有了非常重大的发展。具有新功能的先进试验品的广泛生产尤其说明了这一点。

块体纳米结构金属的应用和商业化有三个主要优势:显著的优越性能，使用SPD处理技术(如ECAP-C)高效制造的潜力，以及使用这些材料生产尖端产品的可能性。此外，这些新应用中的许多都涉及或将涉及极端环境条件，既需要特殊的强度，又需要改善功能性能。

可以合理地预期，在不久的将来，通过SPD处理的材料的纳米结构将会在开发具有高级结构和功能应用的优良固体材料方面带来新的突破。