頂刊綜述：強塑性變形生產優異性能的納米結構材料！

導讀：在過去的十年中，深度塑性變形(SPD)技術的發展取得了重大進展，以在各種材料中實現新的和優越的性能。本文回顧了這些領域的研究成果，並探討了進一步研究和發展的前景。SPD處理在納米尺度上提供了強烈的晶粒細化，併產生非常高的位錯和點缺陷密度，以及與顆粒溶解、沉澱或非晶化相關的不尋常的相變。這種SPD誘導的納米結構特徵強烈影響變形和傳輸機制，可以大大提高先進材料的性能。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；特別強調了促進醫學創新應用的先進金屬生物材料。

SPD處理可以引入有效的晶粒細化以及非典型的相變。這些過程導致了納米尺度上特殊的非平衡結構特徵的形成，如主要位於晶界(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澱物的形成，以及合金元素在GB區域分離的重分佈。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誘導的納米結構特徵影響了SPD材料的變形機制，並導致其性能的大幅提高，這是傳統工藝無法達到的。利用這一知識爲通過SPD處理形成納米結構設計的概念，以及在UFG材料中進化出優越的多功能性能開闢了一條新的途徑。在過去的十年中，SPD處理技術的發展和優化取得了顯著的進展，以獲得更好的性能。這些發展要麼與傳統SPD技術的改進有關，以促進其商業化(如提高加工技術的效率和減少材料浪費)，要麼與SPD制度的優化和兩種或兩種以上SPD加工技術相結合時複雜SPD加工路線的開發有關。將複雜的SPD加工路線應用於金屬材料可以進一步細化微結構，從而進一步降低晶粒尺寸，大大提高性能。多種加工技術的結合爲UFG金屬材料的織構設計提供了一種額外的工具，以進一步控制微觀組織和性能的各向異性。

在此，俄羅斯烏法國立航空技術大學的Ruslan Z. Valiev聯合英國南安普頓大學的Terence G. Langdon等對先進SPD處理的最新成就進行了批判性的回顧，重點關注在早期評論中沒有得到適當注意的發展。在開始部分簡要介紹了最流行(經典)的SPD處理技術的歷史發展和簡要概述。第2.1節描述了改進的SPD處理技術和制度，然後在第2.2節介紹了應用於各種金屬和合金納米結構的複雜SPD處理路線。第三節和第四節介紹和討論了通過先進的SPD工藝製備的UFG材料的微觀結構特徵，以及通過SPD設計納米結構以獲得優異的力學和功能性能的主要原理。通過先進的SPD處理的UFG金屬的現有和潛在應用在第4節中進行了概述和討論。相關研究成果以題“Using Severe Plastic Deformation to Produce Nanostructured Materials with Superior Properties”發表在綜述頂刊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製備塊狀超細晶粒金屬和合金的最有效方法之一。這一領域的開創性研究已經進行了超過25年。圖1顯示了最近SPD研究活動的增長。最近發表的幾篇綜述文章和書籍全面描述了SPD研究的大多數趨勢，涵蓋了SPD處理過程中納米結構材料的不同方面，如SPD技術的模擬和發展;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納米結構材料優異性能的基礎和創新潛力。

圖1 大量關於嚴重塑性變形和高壓扭轉的研究論文。數據收集於2020年4月23日Scopus網站，統計發表在同行評議期刊上的論文，包括通過評審過程篩選的論文。

連續壓制是Segal等人在著名的Conform工藝基礎上提出的一種長杆連續簡單剪切工藝。ECAP與規範(ECAP- c)程序是首次開發並用於商業純鋁的晶粒細化到650納米。今天，這種技術被稱爲ECAP-C工藝(圖2)，並已在世界各地的實驗室中使用。

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

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

圖4 銅經過等通道角擠壓(ECAP) (a - d)和隨後滾動的ECAP (e - h) (a,e)、兩道(b,f)、四道(c,g)或十道(d,h)後的電子背散射衍射(EBSD)取向圖。在EBSD圖上，低角邊界(2°≤θ < 15°)和高角邊界(θ≥15°)分別用黑白線表示。縮寫:ED，擠出方向;ND,法線方向;RD,軋製方向;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係。(a) 1次，(b) 2次，(c) 4次，(d) 8次，並在每個直方圖上疊加一個Mackenzie圖(即隨機紋理多晶體的定向角分佈)。

圖6 超細晶粒銅經等徑角擠壓和隨後的冷軋處理後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，並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後多晶區原子探針層析元素圖。(a) Mg， (b) Cu，和(c) Zn在三個晶界(gb): GB1, GB2和GB3。紅色箭頭表示GBs的位置。

圖8 偏析存在時位錯環的擴張。藍色和紅色的橢圓分別表示阻礙和促進循環擴張。(a,b)位錯環的兩端(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，偏析可以促進或阻礙位錯環的擴張，這取決於pin是強還是弱。(c)通過增加施加的載荷，如果分離誘導的釘扎較強，位錯環的擴展通過其弓出實現。(d)若釘扎較弱，則通過A點和B點的解釘和橫向運動來實現環擴張。

圖9 納米結構與納米顆粒的示意圖，實現了高強度，良好的導電性，並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)，黑色線條表示不同直徑的納米顆粒。

圖10 (a) 手術後的全景 X 射線照片和 (b) 植入植入物後獲得的對照射線照片，來自納米結構 4 級鈦的 2.0 毫米直徑 Nanoimplant®。(c) 由納米結構 4 級 Ti (110) 製成的帶有六個孔的微型板的圖像。

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生優異的性能。基於目前已有的研究，關於這些特殊性質的潛在機制的重要信息已經存在，爲這些材料在新的結構和功能上的實際應用開闢了新的可能性。最近的發現表明SPD處理在改善這些材料的其他物理和化學性質方面有新的機會。這些性質在這篇綜述中只簡要地提到，但近年來取得了相當大的進展。例如，這些技術包括超導性、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。

現代材料科學的一個普遍規則是，20世紀的任何材料突破，從最初的創新時間，大約需要20年的時間來獲得廣泛的市場接受。由SPD處理產生的塊狀納米結構金屬材料似乎也在沿着這條軌道發展。雖然最初的開發和研究始於20世紀90年代初，但近年來在這些材料的商業化方面有了非常重大的發展。具有新功能的先進試驗品的廣泛生產尤其說明了這一點。

塊體納米結構金屬的應用和商業化有三個主要優勢:顯著的優越性能，使用SPD處理技術(如ECAP-C)高效製造的潛力，以及使用這些材料生產尖端產品的可能性。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，通過SPD處理的材料的納米結構將會在開發具有高級結構和功能應用的優良固體材料方面帶來新的突破。