金属材料一直是工程结构材料的重要组成部分,获得高强度与高塑性的综合力学性能是研究者们奋力追求的目标。金属发展的瓶颈在于较低的比强度以及强度和塑性的倒置关系。目前工业上最常用的改善金属材料力学性能的方法为合金化。但该方法依赖于资源,且成分复杂,较难循环利用,不利于金属的可持续发展。晶体中的缺陷（如位错、空位、晶界等）有望代替合金元素改善金属材料的性能,但晶体缺陷稳定性差,很难调控。通过近年来的研究,层状构型化设计具有调控缺陷分布的潜力,有望解决强度和塑性的倒置问题。因此,急需设计并制备具有层状结构的模型材料对层状材料的变形机制进行更加深入的挖掘。本文将设计并制备层状模型材料,旨在排除组元层间热膨胀系数、弹性模量的差异等影响,仅研究组元层的屈服强度差异对层状材料力学性能以及变形机制的影响。本文将利用先进的原位表征技术对材料内局域应力/应变的分布与演化、不同类型的位错的开动与演化进行深入的分析,以建立局域应力/应变与位错组态演化的关联效应,进而揭示层状材料变形机制与力学性能之间的响应关系。通过对叠制的钛板进行热压的方法制备出了粗、细晶呈层状分布的粗/细晶层状纯钛板,并利用相同的制备工艺制备了对比体系,即仅由粗晶层组成的粗晶层状纯钛板和仅由细晶层组成的细晶层状纯钛板。粗/细晶层状纯钛板满足了上面提到的研究内容对模型材料的所有要求,且展现出了非同寻常的力学性能。该材料仅用少量的细晶就达到了全细晶层状纯钛板的屈服强度,并获得了高于细晶层状纯钛板的均匀延伸率和断裂延伸率。其中断裂延伸率非常接近粗晶层状纯钛板。因此,粗/细晶层状纯钛板获得了强度和塑性的协同提升。层状纯钛板中单层层厚方向仅有1-2个晶粒,因此在研究层状纯钛板的变形机制过程中对单个晶粒的变形行为的探究是必不可少的,且为了揭示粗/细晶层状纯钛板的强化机制,对变形早期的变形行为的探究是必要的。目前在原位加载状态下分析晶粒的滑移系开动的方法主要有同步辐射三维X射线衍射、原位透射以及同步辐射白光劳厄微衍射。第一种方法可通过单个晶粒的平均信息预测该晶粒内所开动的主要的滑移系,无法获得百微米以下尺度的晶粒内部的信息。第二种方法虽然可以直接观测到位错,但样品小,变形行为可能具有尺寸效应。通过同步辐射白光劳厄微衍射的方法可以同时获得晶格应变/应力、晶体取向以及位错密度等信息。目前基于白光劳厄微衍射的方法可以对微米级晶粒内部的滑移系开动进行预测,但该方法仅适用于单滑移系以及刃型位错。若出现多滑移与螺位错,预测的结果是不准确的。本文将提供一种新的方法来预测滑移系的开动。该方法通过对晶粒中不同位置、不同滑移系的分切应力分布与演化以及不同拉伸应力状态下取向差和晶向的旋转角的分布与演化,对晶粒内部不同位置所开动的滑移系进行判断。粗/细晶层状纯钛板的屈服强度既不满足Hall-Petch关系,也不满足混合定律。基于白光劳厄微衍射的结果以及TEM对位错组态演化的分析,发现粗晶层强化的主要原因是由于细晶层的限制作用以及晶粒取向与层状构型的几何关系导致了＜a＞位错在层界面的塞积。这种限制作用增加了粗晶中开动＜c+a＞位错的必要性,以协调局部变形。而该滑移系的临界分切应力要远高于＜a＞位错,从而使得粗晶得以强化。并通过分析,排除了晶粒取向、晶粒间相互作用、晶粒尺寸分布对力学性能影响。通过数字图像处理技术对该材料塑性变形阶段的局域应变演化的分析可知,粗/细晶层状纯钛与对比体系相比,应变局域化程度在变形早期是最严重的。然而由于应变转移行为使得应变局域化得到了有效调控,这与变形早期的变形机制和粗/细晶层的加工硬化能力的差异密切相关。通过TEM分析了不同拉伸应变量下三个体系层界面附近区域与层内部区域位错组态演化的区别,揭示了三个体系加工硬化速率存在差异的原因。本文基于对局域应力/应变与位错开动及演化间响应关系的分析,揭示了组元层屈服强度对层状材料变形机制与力学性能的影响。为层状材料的设计,特别是对于密排六方结构的金属,提供了理论性的指导。