中国现代制造业的发展趋势是打造绿色环保制造体系,深冷处理作为金属热处理工艺的延伸,是一种清洁环保、代价低廉的金属处理工艺,正逐步受到制造业认同,在机械制造领域发挥重要的作用。深冷处理能够通过控制温度进行金属微观组织结构的调控,从而达到改善金属材料综合性能的目的。金属热处理工艺的研究工作已经日趋完备,但对于深冷处理不同工艺参数对材料力学性能的影响、深冷处理对不同材料体系（如不同晶体结构、单一/多相组织结构、不同应力状态）的强化机理等方面的研究尚无定论,极大的限制了深冷处理的发展和应用。为了在不改变材料形状的情况下,进一步挖掘材料的潜能、提高材料的服役周期和寿命,探索深冷处理对金属材料力学性能影响规律,寻找最优深冷处理工艺参数,这些问题吸引了大量研究学者的关注,从而进一步推广深冷处理在工业领域的应用。本文以fcc结构、单相组织的纯铜,bcc结构、马氏体和奥氏体两相组织组成的硼钼高强钢和hcp结构、以a-Mg为基体,第二相为b-Mg₁₇Al₁₂组成的双相AZ31B镁合金为研究对象,开展了不同降温速率、不同保温时间、不同冷却方式的深冷处理,随后测试了不同深冷工艺处理后试件的宏观力学性能。采用三维光学全场应变测量、数值模拟的手段探究深冷处理后材料拉伸过程应变分布演化特征,以及深冷处理过程温度场和应变场的关系,结合宏观力学性能,从力学角度,解释深冷处理对金属材料力学性能影响的原因。得到以下主要结论:（1）深冷冷却速率、保温时间以及退火态纯铜的应力状态对深冷处理后纯铜的力学性能有影响。相同的保温时间,冷却速率为15℃/min时,试样的屈服强度提高了59.03MPa,抗拉强度提高了4.5MPa;随着保温时间的延长,屈服强度提高了72.92MPa,抗拉强度提高了14.68MPa。5%预变形试样深冷处理后,屈服强度提高了73.53MPa;10%变形预变形试样深冷处理后,屈服强度提高了155.1MPa。数值模拟的结果显示,深冷处理导致材料的应力/应变分布状态会产生显著改变,深冷处理后应力表现为“外拉内压”分布状态,表层与芯部的残余应力差距愈加明显,导致了试样的强度显著提高。（2）深冷处理对硼钼高强钢的力学性能和变形行为均有影响。深冷处理后,试样上屈服点强度提高了65.3MPa,下屈服点提高了15.4MPa,抗拉强度提高了8MPa,均匀塑性基本无变化;另一方面,深冷处理后硼钼高强钢的“屈服降”现象显著增强,表现为上下屈服点差值由11MPa增加到160.9MPa。由深冷前后的DIC检测结果可知,在“屈服降”阶段,深冷处理后硼钼高强钢的应变演化特征是由均匀应变状态演化为局部应力集中状态,局部应力水平显著增高;在屈服平台阶段,深冷处理前后的应变分布和演化特征基本无变化,但变形协调能力有所降低。结合钢铁材料深冷处理微观机理可知,深冷处理后材料内残余奥氏体向马氏体转变,并有碳原子偏聚和析出形成碳化物颗粒,导致硼钼高强钢的强度提升,“屈服降”现象显著增强。（3）深冷处理对AZ31B镁合金的力学性能和变形行为的影响不显著。深冷处理前后AZ31B镁合金试样的变形行为均为连续屈服;RD方向经过液氮浸泡1.5h的试样力学性能改善最明显,屈服强度提高了2.95MPa;TD方向采用液氮浸泡45min的试样强度提升最明显,屈服强度提高了1.2MPa。从DIC采集的结果来看,深冷处理后,无论是RD还是TD方向,拉伸过程均为应变均匀分布状态。由于深冷处理时间短,深冷处理过程中板材试样温度分布均匀,材料内部没有第二相沉淀析出,且AZ31B镁合金强度较高,不会因体积收缩发生塑性变形,因此本文采用的深冷工艺对AZ31B镁合金的力学性能和变形行为未能产生显著影响。