近日，我院黄崇湘教授团队联合清华大学高华健院士、新加坡科技研究局（A*STAR）张永伟教授等团队，揭示了层间强度比对异质结构材料应变硬化行为及强塑性协同效应的影响机制，构建了层间强度比与材料强塑积之间的定量理论模型。相关成果以“The role of layer strength ratio in enhancing strain hardening and achieving strength-ductility synergy in heterostructured materials”为题发表在材料科学领域顶级期刊Acta Materialia（IF=8.3，中科院一区Top）。四川大学空天学院为该研究的第一单位和通讯单位，我院青年教师陆晓翀为共同第一作者。

在金属材料领域，强度与韧性的倒置关系始终是制约力学性能提升的核心瓶颈。异质结构（heterostructure）作为一种新兴的微结构设计策略，为实现强度与韧性的协同提升提供了新思路。研究表明，异质界面诱导产生的几何必须位错（GND）及其引发的额外应变硬化机制，是实现高强度与高韧性匹配的关键。然而，目前仍缺乏基于微结构设计的异质结构材料力学性能定量调控准则，关键力学参数尚未明确界定，这一认知缺陷严重阻碍了异质结构材料的精准设计与性能优化。

研究团队将层间强度比（R≥1）定义为硬层和软层屈服强度之比，定量表征异质层之间的强度差异。通过累积叠轧结合退火工艺制备出R值不同的层状Cu/Fe材料。单拉测试表明，随着R值的增加，材料的应变硬化能力提升，并提高了均匀延伸率。此外，R值越高，背应力的增速越快，且在总流动应力中的占比越大。基于应变梯度塑性理论推导出强塑积与R之间的普适性理论公式，其预测结果与20余种层状材料实验数据的分布有较好的吻合。

图1.不同层间强度比层状Cu/Fe样品的单轴拉伸力学性能。

微观表征显示，越靠近异质界面，GND密度越高。该特征随层间强度比R的增大而愈加明显。异质界面附近的Cu层晶粒内出现沿不同滑移方向排列的位错阵列，直观证实了界面区域的位错塞积现象。这些现象说明层间强度差异的增大会促进异质界面附近GND的显著积累。此外，研究团队还结合晶体塑性有限元和离散位错塑性模拟，系统揭示了强度比R对界面附近局部区域位错结构、GND密度、背应力和高应力区的影响，从多个尺度深入理解了位错演化、长程内应力和宏观力学行为之间的关联。

该研究为高性能异质结构材料的微结构设计与力学性能优化提供了新设计范式和理论框架。研究工作得到了国家自然科学基金（92263201，12302280，51931003），四川省自然科学基金（2024NSFSC1347）等项目的资助。

图2.利用微观表征手段分析层间异质界面附近的GND密度分布及位错形态。

图3.不同层状Cu/Fe样品的有限元模型及晶体塑性模拟结果。

图4.利用离散位错塑性模拟预测层间强度比R对层状材料额外应变硬化的影响。