第一作者： Yang Zhang

通讯作者： Hao Wu

通讯单位： Nanjing Tech University

层状复合材料的结构设计

采用真空热压烧结工艺，将商业纯钛（Ti）箔与Ti6Al4V钛合金箔交替堆叠，制备出三种不同层厚比的层状复合材料。Ti6Al4V层厚度固定为170 µm，Ti层厚度分别为15 µm、30 µm和170 µm，对应样品命名为Ti‑15、Ti‑30和Ti‑170。微观组织表征表明，Ti6Al4V层由平均晶粒尺寸约6 µm的细小等轴晶组成；Ti层晶粒较为粗大，平均尺寸随层厚增加从约17 µm（Ti‑15）增大至约78 µm（Ti‑170）。两层均具有显著的基面织构，界面平直、连续且无孔隙或析出相。这种软（Ti）硬（Ti6Al4V）交替、晶粒尺寸差异明显的异质结构，为调控低温变形机制提供了结构基础。

低温拉伸力学性能与异常加工硬化特征

在77 K（液氮温度）下进行单轴拉伸试验，结果显示：随着Ti层厚度增加，屈服强度逐渐降低，延伸率逐步提高。加工硬化率曲线表现出显著的层厚依赖性。Ti‑170样品的加工硬化率随真应变增加呈平稳下降趋势；而Ti‑15样品则在初始快速下降后，于约3%应变附近出现上升峰，呈现出特殊的“异常加工硬化”行为。该现象仅在Ti层厚度最小的Ti‑15样品中发生，表明层厚是调控低温变形机制的关键结构参数。

孪晶演变的定量分析

利用原位低温电子背散射衍射技术，追踪了0%、3%、6%和9%真应变下的孪晶活动。结果表明：Ti层内主要激活{11-22}孪晶，Ti6Al4V层内主要激活{10-12}孪晶。定量统计显示，Ti‑170的Ti层在3%应变时孪晶界比例已达33.08%，至9%时增至43.05%；而Ti‑15的Ti层在同一应变区间内仅从3.10%增至20.85%。相反，Ti6Al4V层中的{10-12}孪晶面积分数在Ti‑15中从1.13%（3%应变）迅速上升至7.96%（9%应变），而在Ti‑170中增幅极小。

位错密度与滑移模式的演变

基于EBSD的几何必需位错分析表明，Ti6Al4V层的位错密度始终高于Ti层，且所有样品中位错密度的增长率相对稳定，未出现与异常硬化对应的突变。这意味着异常硬化并非主要源于位错储存能力的差异，而是由孪晶行为的差异所致。通过晶内取向差轴分析进一步确认，无论层厚如何，主导的滑移机制均为柱面<a>滑移。该滑移模式在室温和低温下保持一致，但孪晶活动对温度极为敏感。

界面约束效应与界面影响区宽度

异常硬化的原因在于界面约束效应。采用位错台阶源模型估算界面影响区的宽度约为7.6 µm。当Ti层厚度（15 µm）接近于两倍界面影响区宽度时，整个Ti层被两个相邻的界面影响区完全覆盖，从而产生强界面约束。这种约束导致Ti层横向收缩受限，进而在Ti6Al4V层内诱发双轴/多轴应力状态，促进{10-12}孪晶的形核。对于Ti‑170样品，Ti层厚度远大于界面影响区宽度，中间区域不受约束，难以产生上述效应。维氏硬度测试验证了界面附近存在宽度约10 µm的硬化梯度区，与理论预测吻合。

温度依赖性与异常硬化的适用条件

进一步进行了298 K下的补充拉伸实验。Ti‑15和Ti‑170均未表现出异常加工硬化现象，说明低温是必要条件。其物理机制在于：低温显著提高位错滑移的临界分切应力，使位错运动受阻，因而孪生成为更为有利的变形方式。然而仅低温不足，还需满足强界面约束条件（即Ti层厚度约为界面影响区宽度的2倍）。因此，异常加工硬化是低温环境与薄软层设计协同作用的结果。该发现有望为开发适用于航天、能源等极端低温环境的高性能层状金属材料提供了设计准则。