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优异的综合力学性能和物理性能的良好结合使得钛合金成为航空航天领域不可或缺的关键结构材料。然而,钛合金塑性加工过程中,微观组织演化和塑性变形机制都较为复杂,缺乏系统地研究,一定程度上限制了钛合金的成型性能和工程应用。本文以高强TC21合金锻材为原始材料,通过室温变形、两相区热变形、轧制等多种变形方式引入塑性应变,结合金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、电子被散射衍射技术(EBSD)、透射电镜(TEM)等实验测试方法,系统地研究了室温和高温变形过程中的组织演变规律、组织演变机制、协调机制以及退火再结晶行为。主要结论如下:(1)通过室温变形实验研究了微观组织中滑移的启动及两相的协调机制。α相中主要观察到了基面,柱面和锥面三种<a>类型滑移的启动,而前两者为主导变形机制。片层组织和等轴组织分别以基面和柱面滑移为主。β相中观察到的主要滑移方式是{110}和{112}。滑移启动的规律及滑移传递现象分别用Schmid准则和应变协调规律来解释。α与β相之间的Burgers位向关系对其塑性变形机制有重要影响。(2)对TC21合金在820~940℃两相区进行高温变形,研究了等轴初生α相,片层次生α相及β基体三种微观组织的演变规律及协调机制。提高变形温度和降低应变速率可以使得流变应力曲线提前达到平稳状态。提高应变速率会促进动态再结晶(DRX)晶粒形核,提高温度会促进β相DRX晶粒长大。在变形温度达到900℃时,β相晶粒明显长大,次生α相含量减少,开始出现颗粒状和针状α相形貌。β相比α相更易发生DRX,α相与β相之间在动态再结晶过程中相互协调变形。β相形成了{001}<100>纤维织构。(3)通过退火工艺研究了TC21合金轧制组织的静态再结晶行为(SRX)。轧制变形后,片层组织中形成了扭折带,出现弯曲、破碎和球化等现象;等轴组织中主要表现为α相被拉长。随着退火温度的升高和退火时间的延长,片层组织中的SRX行为越来越显著,从而促进了片层α相的等轴化,最佳球化温度约为880℃。当退火温度为940℃时,片层组织中出现了长大吞并行为,从而形成了碎片组织。等轴组织中α相的再结晶织构以轧制织构为主,β相含有{001}<110>和{111}<112>纤维织构。