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研究发现高强韧钛合金全片层组织具有类似板条马氏体钢的多层次结构,从外到内依次为:原始β晶粒,β晶粒内的α集束和α集束内平行排列的α片,且每个层次对合金性能都有显著影响。但当前关于该类合金多层次片层组织及其性能的相关研究很少,热处理工艺对该类多层次组织参数的影响规律及具体每个层次特征参数与性能的关系尚不明了,从而限制了高强韧钛合金片层组织的广泛应用。由此,本文以新型高强韧钛合金Ti-55531为研究对象,通过调整固溶或退火温度调控片层组织的多层次结构参数,利用金相显微镜（OM）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）结合图像分析软件Image-pro-plus 6.0,分析不同热处理后片层组织的多层次结构参数。然后测试不同参数多层次片层组织的室温拉伸、冲击和断裂韧性等力学性能,讨论了各个层次与强度、塑性、韧性之间关系。再通过缺口拉伸测试,分析了该合金多层次片层组织的缺口敏感性。主要结论如下:（1）通过在870℃至930℃之间调控固溶温度,保持退火工艺一致,研究固溶温度对合金多层次片层组织及性能的影响。结果表明,随固溶温度升高,β晶粒尺寸增大,α集束有效宽度增加,α片有效宽度逐渐减小。虽然β晶粒和α集束有效宽度增大,但α片有效宽度逐渐减小导致总的界面数量增加,界面强化效应增加,从而导致合金的抗拉强度升高。晶界α(αGB)显著降低片层组织的塑性,随固溶温度升高,β晶粒尺寸增加,αGB有效体积分数增加,导致塑性减小。该合金多层次片层组织的强度对韧性的影响大于塑性对韧性的影响,最终使其断裂韧性和冲击韧性均随固溶温度的增加而上升。不同固溶温度下,控制多层次片层组织强度的有效参数是α集束有效宽度,影响其塑性关键参数是β晶粒尺寸及αGB有效体积分数。（2）由于高于870℃固溶后片层组织的塑性均较低,工业应用价值不高,因此选择较低固溶温度（860℃）,进一步研究退火温度（610℃、640℃和670℃）对多层次片层组织及性能的影响。结果表明,其他工艺参数相同时,随退火温度的降低,β晶粒尺寸保持不变,α相的体积分数增加,α集束和α片的厚度逐渐减小,α相的小角度界面百分比也减少;多层次片层组织的抗拉强度和屈服强度增加,塑性和冲击韧性降低。虽然α集束和α片的有效宽度的倒数平方根（dc,dα）与强度都符合Hall-Petch关系,但与α片相比,α集束与UTS和YS的拟合系数更高,所以α集束的有效宽度对多层次片层组织强度的影响大于α片的有效宽度。虽然α集束和α片的有效宽度与塑性都线性相关,但与α集束相比,α片与El和RA的拟合系数更高。所以α片有效宽度对多层次片层组织塑性的影响大于α集束。冲击过程,裂纹萌生功占总功的绝大部分（76%以上）。冲击裂纹萌生附近组织变形特征TEM分析结果显示,α片越粗大,冲击变形过程产生孪生的几率越高,塑性变形能力越好,变形过程消耗的能量越多;孪晶形成后,孪晶界面成为位错运动的障碍,最终成为微裂纹的优先形核位置,微裂纹形成后沿着孪晶界或穿过孪晶扩展,在破碎的α片内形成许多裂纹台阶,导致裂纹萌生过程消耗了更多外界做的功,从而提高了裂纹萌生功。另外,冲击韧性与强度呈负相关性,与塑性呈正相关性,所以此时塑性对冲击韧性的影响大于强度。综上所述,α片有效宽度对多层次片层组织冲击韧性的影响大于α集束的影响。（3）缺口对合金的拉伸性能有显著的影响,但该合金没有表现出“缺口强化”效应。与光滑试样相比,缺口使合金塑性明显下降且强度也降低。另外,随退火温度的升高,合金的缺口敏感性降低;随着缺口半径的增加,合金抗拉强度有所增加,但塑性几乎不变且都很低。合金的拉伸断裂方式均是沿晶、解理和韧窝断裂组成的混合断裂模式,缺口的存在使合金的脆性断裂倾向增加。