本文旨在通过层状结构设计改善金属基复合材料和金属间化合物的综合力学性能,并从局域应力应变的角度阐述层状结构影响材料的变形、断裂和力学性能的作用机制。以Al箔、Ti箔和TiB_w/Ti箔为原料,通过调控原始箔材的层厚参数（层厚比和单层厚度）及反应退火工艺合成了包含弥散Ti₃Al相的TiB_w/Ti-Ti（Al）层状材料及包含连续Ti₃Al层的Ti（Al）-Ti₃Al层状材料。使用扫描电镜、透射电镜及X射线衍射系统地研究了层状材料制备过程中的组织演化规律及合成机制。通过耦合的原位拉伸、原位EBSD、数字图像关联技术及同步辐射技术实现了层状材料变形过程中裂纹、应力、应变的原位跟踪及可视化观察,进而揭示了层状材料的变形机制与断裂行为,并建立了微观组织构型化设计、应力应变分布、变形及断裂行为和力学性能的相互关系。反应退火机制的研究表明,700℃低温反应退火过程中首先发生的是基于固态Ti和液态Al之间的化学反应,待Ti/Al界面处形成Ti Al3层后,反应退火速率明显降低。在TiB_w/Ti-Ti（Al）层状材料中观察到Ti₃Al沿基体柱面法线方向的取向析出。原位透射电镜观察及纳米尺度应变分析证实,Al合金化导致的柱面层错是Ti₃Al取向析出的关键因素。通过拉伸试验测试了层状材料的力学性能,表现出强度和塑性的良好匹配。与同体积分数的TiB_w/Ti基复合材料相比,层状结构使其室温延伸率从0.4%提高到8.2%。变形过程中的局域应变演化过程表明,层状材料较高塑性源于应变的非局域化,即层状结构可以有效地缓解变形过程中的应变集中,因此与传统金属材料相比,层状材料的变形更加稳定和均匀。根据Ti（Al）-Ti₃Al层状材料中不同组分的Al含量将其划分为α-Ti（Al）层、α+α2双相层和α2-Ti₃Al层。脆性Ti₃Al层被邻近的双相层约束因此表现出明显的塑性变形特征,甚至在这种特殊的界面约束作用下,其锥面滑移在室温下被激活。层状材料塑性组分的形变过程也没有严格遵循Schmid定律,并存在强烈的各向异性,即沿平行界面方向的均匀变形和沿垂直界面方向的应变梯度,因此变形过程中累积在脆性Ti₃Al层的应力集中可以被有效地传递到邻近的双相层中。层状材料局域应变演化过程表明,不同层状组元间具有良好的应变兼容性且宏观变形遵循等应变法则,其中α+α2双相层的存在稳定了层状材料的拉伸变形并降低了局部塑性不稳定的倾向。这种由于层状结构导致的拉伸稳定性可以通过拉伸断口中许多微小且钝化的裂纹反映出来,这些裂纹不仅缓解了变形过程中的应力集中,还提供一定程度的应变,其中后者补偿了Ti₃Al较差的塑性以维持宏观拉伸等应变模型。由于层状结构赋予的较低的裂纹扩展驱动力、较高的应力传递效率以及作用于裂纹尖端的塑性约束等原因,这些裂纹在后续变形中并不会发展为临界主裂纹。层状结构从根本上改变了两种复合材料的变形机制。首先,塑性组分的变形钝化了裂纹尖端,因此裂纹的继续扩展需要更大的驱动力及应力强度;其次,层状材料中复杂的应力状态影响了材料的变形行为;最后,较高的应力传递效率和层状结构诱发的应变非局域化有效地阻止了裂纹的扩展及临界主裂纹的形成,进而改善了材料的强韧性。因此本文提出的“层状结构”组织构型化设计理念及从应力应变的角度解析变形行为的分析视角将为其他脆性材料的强韧化提供重要的指导及借鉴意义。