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本文通过2道次ECAP变形（等效应变量约0.75）和ECAP+旋锻变形（等效应变量约2.58）,以及旋锻后300℃、400℃退火1h,获得4种具有不同组织的超细晶纯钛。分析了4种超细晶纯钛的组织演变和力学性能,并从裂纹扩展速率、裂纹扩展路径、疲劳断裂机理等方面研究了4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展行为,主要研究结果如下:2道次ECAP变形后,纯钛的强度显著增高,其显微组织由宽度约为1μm的板条组织和孪晶构成,且晶粒尺寸不均匀;后续的旋锻变形使ECAP变形纯钛的组织不均匀性得到改善,强度进一步提高,形成晶粒尺寸约为200 nm的超细晶组织;旋锻变形后随退火温度的升高,超细晶纯钛的晶粒尺寸增大,位错密度降低,导致其断裂延伸率升高,强度降低。标准单边缺口拉伸试样（SENT）的疲劳裂纹扩展速率测试结果显示,微观组织对超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展具有显著影响,存在疲劳裂纹扩展速率转折点将疲劳裂纹扩展速率曲线分为近门槛区和稳定扩展区。在近门槛区,ECAP+旋锻变形纯钛的ΔKth最高,约9.6 MPa·m1/2,其中ECAP变形纯钛的裂纹扩展速率高于ECAP+旋锻变形纯钛,ECAP+旋锻变形纯钛的裂纹扩展速率随退火温度的升高而增加;在稳定扩展区,旋锻后400℃退火纯钛的抗裂纹扩展能力最强,ECAP变形纯钛和ECAP+旋锻变形纯钛次之,旋锻后300℃退火纯钛的抗裂纹扩展能力最弱。ECAP变形纯钛和旋锻后400℃退火纯钛的裂纹路径较曲折,断面起伏较大;ECAP+旋锻变形纯钛和旋锻后300℃退火纯钛的裂纹路径较平直。其中,ECAP+旋锻变形纯钛的裂纹扩展初期观察到多条细小裂纹,只有一条成为主裂纹,使ECAP+旋锻变形纯钛具有最高的裂纹萌生寿命,故ECAP+旋锻变形纯钛的疲劳寿命也最高。4种超细晶纯钛试样的疲劳断裂过程是由解理断裂逐渐转向韧性断裂。ECAP变形纯钛以穿晶断裂与沿晶断裂的组合断裂为主,稳定扩展区断面具有明显的裂纹闭合接触痕迹。ECAP+旋锻变形纯钛及旋锻后退火纯钛试样裂纹扩展以沿晶断裂为主,且断面的二次裂纹较多。故裂纹闭合、裂纹偏折、二次裂纹以及断裂方式的差异是导致4种超细晶纯钛裂纹扩展速率差异的原因。不同应力比（R=0.1,0.5）的疲劳裂纹扩展实验结果显示,应力比对4种超细晶纯钛的疲劳寿命和裂纹扩展速率有显著影响。其中ECAP变形和旋锻后400℃退火纯钛的疲劳寿命N在0.5条件下增大,而ECAP+旋锻变形纯钛和旋锻后300℃退火纯钛的疲劳寿命N在0.5条件下减小。应力比由0.1增加至0.5,4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展速率均增大,而ΔKth均减小,其中ECAP+旋锻变形纯钛的ΔKth减小幅度最大,ΔKth的差值约4.4 MPa·m1/2。