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本文以不同晶粒尺寸（2μm、8μm、18μm）的细晶TC4钛合金为原材料,通过超塑性拉伸实验,借助光学显微镜、扫描电子显微镜及透射电子显微镜等分析检测手段,对其超塑性变形力学行为、微观组织结构演化、超塑性变形机制及断裂机制等进行了深入的研究,较系统地研究了变形参数（温度、应变速率、晶粒尺寸）与力学性能、组织结构之间的相关性规律。结果发现,变形参数对TC4合金的超塑性变形行为及变形机制有显著的影响。超塑性拉伸实验结果表明,在860℃～950℃温度范围内,5×10-4S-1～5×10-3S-1恒应变速率范围内,三种晶粒尺寸的TC4合金均具有良好超塑性。在最佳变形条件(890℃,5×10-4s-1)下,2μm、8μm、18μm合金断裂延伸率分别为1290%、910%、450%。在相同实验条件下,延伸率随着应变速率的增加而下降;随着晶粒尺寸的增大而下降;随着变形温度的升高先上升后下降。微观组织观察结果表明,较细晶粒（2～8μm）TC4合金超塑性变形后,晶粒保持较好的等轴性,初生α晶粒粗化,且变形温度越高、应变速率越小、原始晶粒越小,晶粒长大越明显,长大速率越快;18μm合金拉伸变形后初生α晶粒等轴性下降,多数初生α晶粒细化,且变形温度越低、应变速率越大,晶粒细化越明显。细晶TC4合金超塑性变形的主要机制是晶界滑动和晶粒转动,在最佳变形条件下,2μm合金伴随晶粒“外壳”位错滑移和攀移为协调机制;8μm合金伴随晶界附近和晶粒内部位错滑移、攀移以及动态再结晶为协调机制;18μm合金超塑性变形机制由晶界滑动、晶粒转动和晶内位错运动共同作用,并以动态回复和动态再结晶为变形协调机制。随着原始晶粒的增大,应变速率的提高,晶内位错运动对TC4合金超塑性变形量的贡献不断提高;同时,由于晶内位错密度增加,使得动态回复和再结晶成为超塑性变形的重要协调机制。对TC4合金超塑性变形断口形貌进行扫描电镜分析,其结果表明,断口形貌呈现大量的韧窝,晶界滑动特征明显。2μm、8μm合金断口形貌显示没有发现空洞,18μm合金在较高应变速率5×10-3s-1下呈现出空洞形核、长大、连接和晶间断裂特征。