導讀：準確認識和理解金屬層狀復合材料的各向異性力學行為是開發該類材料并把其應用于實際工程領域的重要前提。在本研究中，作者以累積疊軋工藝制備的Ti/Nb多層復合體作為模型材料，使用基于同步輻射的X射線衍射技術揭示了其在單軸拉伸載荷下的各向異性塑性和損傷行為。綜合分析晶格應變、應力配分、微觀變形機制、應力狀態等演化特征，揭示了兩種加載方向下該材料塑性變形的不明顯差異（即相近的屈服強度、抗拉強度、應變硬化）與晶粒形態、殘余應力、織構、位錯演化的關聯性。頸縮后，Ti/Nb多層材料沿橫向加載時所表現出的更快性能退化，歸因于Nb{211}晶粒更大的應力三軸度及Ti-Nb異質界面的普遍脫粘，該三軸應力狀態促進了Nb內部的微孔洞生長。該研究為挖掘金屬層狀復合材料的成型潛力提供了新見解。

金屬層狀復合材料憑借優異的力學性能在科學界和工程界引起了廣泛關注。該類材料在熱機械加工過程中不可避免地會產生變形不均勻性以及由此導致的后續成型/成形過程中的力學各向異性。因此，有必要研究金屬層狀復合材料的各向異性力學響應并揭示相應的物理機制。特別地，對于基于密排六方（HCP）金屬的層狀復合材料，因HCP結構具有較低的對稱性，材料可能呈現更加顯著的塑性各向異性。與此同時，由異種金屬組成的層狀復合材料的力學行為不同于均勻金屬和合金。在塑性變形過程中，軟、硬組元金屬之間發生交互作用，導致幾何必需位錯（GNDs）塞積和彌散微觀應變帶的形成。GNDs累積和應變帶的出現必然導致應變在材料局部高度集中，這些位置將作為微孔洞和裂紋的形核位點。此外，軟、硬組元金屬之間的交互作用會顯著影響材料內部的應力狀態，甚至導致異常的變形機制被激活。至此，人們不禁要問，軟、硬組元金屬之間的相互協調如何影響層狀復合體的各向異性塑性變形和損傷行為，以及由微觀結構不均勻性引起的應力狀態是否是導致材料發生損傷和斷裂的主要因素。

針對以上問題，東北大學賈楠教授團隊聯合西安交通大學、瑞典Linköping大學和德國DESY同步輻射光源，選取Ti/Nb層狀復合材料作為研究對象，通過開展原位同步輻射X射線衍射測量，研究了沿不同拉伸加載方向材料的微觀力學行為，旨在闡明其各向異性變形、頸縮和損傷的特征。該工作首先呈現了各組元金屬中晶格應變和位錯的演變過程。進而詳細討論了組元金屬之間的載荷配分、殘余應力在復合體各向異性塑性變形過程中的作用，以及應力狀態與各向異性損傷之間的關聯性。該研究闡明了金屬層狀復合材料中的各向異性變形和損傷機制。這些結果將有助于推動金屬層狀復合材料的設計與性能優化，并為異構金屬/合金走向實際應用提供理論指導。

相關研究成果以“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”為題發表在Acta Materialia上，通訊作者為東北大學賈楠教授，西安交通大學崔路卿副教授為共同通訊作者，東北大學青年教師姜爽為第一作者。該工作是賈楠教授團隊在運用大科學裝置表征揭示先進金屬結構材料前沿科學問題研究方向的系列成果之一。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120815

圖1 具有不同組元層厚的Ti/Nb層狀復合材料的微觀結構：(a) N3復合體，組元層厚48 μm；(b) N6復合體，組元層厚1.6 μm；(c) N8復合體，組元層厚0.25 μm

圖2 Ti/Nb層狀復合材料沿不同宏觀方向進行單軸拉伸時的力學性能

圖3 考慮殘余應力情況下，Ti/Nb層狀復合材料沿不同宏觀方向單軸拉伸時的各組元金屬平均應力演化以及組元金屬之間的應力配分行為：(a-c) 沿RD方向拉伸；(d-f) 沿TD方向拉伸

圖4 Ti/Nb層狀復合材料沿不同宏觀方向單軸拉伸時，Nb組元中各晶粒族的應力三軸度(a-c)和Lode參數(d-f)演化

圖5 Ti/Nb層狀復合材料沿不同宏觀方向拉伸斷裂后的斷口形貌：(a, c, e) 沿RD方向拉伸；(b, d, f) 沿TD方向拉伸

結果表明，在沿軋向和橫向拉伸時，Ti/Nb多層復合材料沒有表現出明顯的各向異性塑性，但表現出顯著不同的頸縮和斷裂行為（圖2）。殘余應力和織構共同貢獻于不明顯的各向異性屈服（圖3）；各組元金屬內部相似的晶粒形態使其具有相近的位錯密度值，進而導致在兩種加載方向下該材料的抗拉強度相近；兩種組元金屬的協同硬化效果導致了塊體多層復合材料的加工硬化行為無明顯的各向異性。頸縮后，沿橫向加載的疊層材料表現出更快的性能退化，這被歸因于占主導體積分數的Nb{211}晶粒所具有的更大應力三軸度（圖4）以及Ti-Nb異質界面的普遍脫粘（圖5），該三軸應力狀態促進了Nb組元內部的微孔洞生長。除了應力三軸度外，本研究也考慮了描述應力狀態的另一個重要參數（Lode參數，圖4）。Nb晶粒具有高的應力三軸度，在此范圍內Lode參數對材料失效行為的影響極其微弱。Ti的應力三軸度較低，但沿RD和TD方向拉伸時Ti的Lode參數差異不明顯，因此Ti層未對疊層板的各向異性損傷和失效產生顯著影響。