导读：准确认识和理解金属层状复合材料的各向异性力学行为是开发该类材料并把其应用于实际工程领域的重要前提。在本研究中，作者以累积叠轧工艺制备的Ti/Nb多层复合体作为模型材料，使用基于同步辐射的X射线衍射技术揭示了其在单轴拉伸载荷下的各向异性塑性和损伤行为。综合分析晶格应变、应力配分、微观变形机制、应力状态等演化特征，揭示了两种加载方向下该材料塑性变形的不明显差异（即相近的屈服强度、抗拉强度、应变硬化）与晶粒形态、残余应力、织构、位错演化的关联性。颈缩后，Ti/Nb多层材料沿横向加载时所表现出的更快性能退化，归因于Nb{211}晶粒更大的应力三轴度及Ti-Nb异质界面的普遍脱粘，该三轴应力状态促进了Nb内部的微孔洞生长。该研究为挖掘金属层状复合材料的成型潜力提供了新见解。

金属层状复合材料凭借优异的力学性能在科学界和工程界引起了广泛关注。该类材料在热机械加工过程中不可避免地会产生变形不均匀性以及由此导致的后续成型/成形过程中的力学各向异性。因此，有必要研究金属层状复合材料的各向异性力学响应并揭示相应的物理机制。特别地，对于基于密排六方（HCP）金属的层状复合材料，因HCP结构具有较低的对称性，材料可能呈现更加显著的塑性各向异性。与此同时，由异种金属组成的层状复合材料的力学行为不同于均匀金属和合金。在塑性变形过程中，软、硬组元金属之间发生交互作用，导致几何必需位错（GNDs）塞积和弥散微观应变带的形成。GNDs累积和应变带的出现必然导致应变在材料局部高度集中，这些位置将作为微孔洞和裂纹的形核位点。此外，软、硬组元金属之间的交互作用会显著影响材料内部的应力状态，甚至导致异常的变形机制被激活。至此，人们不禁要问，软、硬组元金属之间的相互协调如何影响层状复合体的各向异性塑性变形和损伤行为，以及由微观结构不均匀性引起的应力状态是否是导致材料发生损伤和断裂的主要因素。

针对以上问题，东北大学贾楠教授团队联合西安交通大学、瑞典Linköping大学和德国DESY同步辐射光源，选取Ti/Nb层状复合材料作为研究对象，通过开展原位同步辐射X射线衍射测量，研究了沿不同拉伸加载方向材料的微观力学行为，旨在阐明其各向异性变形、颈缩和损伤的特征。该工作首先呈现了各组元金属中晶格应变和位错的演变过程。进而详细讨论了组元金属之间的载荷配分、残余应力在复合体各向异性塑性变形过程中的作用，以及应力状态与各向异性损伤之间的关联性。该研究阐明了金属层状复合材料中的各向异性变形和损伤机制。这些结果将有助于推动金属层状复合材料的设计与性能优化，并为异构金属/合金走向实际应用提供理论指导。

相关研究成果以“Mechanical behavior anisotropy of multilayered metallic composites revealed by in-situ synchrotron X-ray diffraction: Example of Ti/Nb laminates processed by accumulative roll bonding”为题发表在Acta Materialia上，通讯作者为东北大学贾楠教授，西安交通大学崔路卿副教授为共同通讯作者，东北大学青年教师姜爽为第一作者。该工作是贾楠教授团队在运用大科学装置表征揭示先进金属结构材料前沿科学问题研究方向的系列成果之一。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120815

图1 具有不同组元层厚的Ti/Nb层状复合材料的微观结构：(a) N3复合体，组元层厚48 μm；(b) N6复合体，组元层厚1.6 μm；(c) N8复合体，组元层厚0.25 μm

图2 Ti/Nb层状复合材料沿不同宏观方向进行单轴拉伸时的力学性能

图3 考虑残余应力情况下，Ti/Nb层状复合材料沿不同宏观方向单轴拉伸时的各组元金属平均应力演化以及组元金属之间的应力配分行为：(a-c) 沿RD方向拉伸；(d-f) 沿TD方向拉伸

图4 Ti/Nb层状复合材料沿不同宏观方向单轴拉伸时，Nb组元中各晶粒族的应力三轴度(a-c)和Lode参数(d-f)演化

图5 Ti/Nb层状复合材料沿不同宏观方向拉伸断裂后的断口形貌：(a, c, e) 沿RD方向拉伸；(b, d, f) 沿TD方向拉伸

结果表明，在沿轧向和横向拉伸时，Ti/Nb多层复合材料没有表现出明显的各向异性塑性，但表现出显著不同的颈缩和断裂行为（图2）。残余应力和织构共同贡献于不明显的各向异性屈服（图3）；各组元金属内部相似的晶粒形态使其具有相近的位错密度值，进而导致在两种加载方向下该材料的抗拉强度相近；两种组元金属的协同硬化效果导致了块体多层复合材料的加工硬化行为无明显的各向异性。颈缩后，沿横向加载的叠层材料表现出更快的性能退化，这被归因于占主导体积分数的Nb{211}晶粒所具有的更大应力三轴度（图4）以及Ti-Nb异质界面的普遍脱粘（图5），该三轴应力状态促进了Nb组元内部的微孔洞生长。除了应力三轴度外，本研究也考虑了描述应力状态的另一个重要参数（Lode参数，图4）。Nb晶粒具有高的应力三轴度，在此范围内Lode参数对材料失效行为的影响极其微弱。Ti的应力三轴度较低，但沿RD和TD方向拉伸时Ti的Lode参数差异不明显，因此Ti层未对叠层板的各向异性损伤和失效产生显著影响。