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随着航空航天器件向大型化、高速化与复杂化方向发展,飞行器选材判据由过去“安全-寿命”到“损伤容限设计”理念转变。钛合金显微组织中片层组织具有良好的损伤容限性能。虽然钛合金中片层组织与强韧性关系已有大量的研究,但是对钛合金中强韧性的组织控制单元鲜有报道,特别是钛合金中多层次片层组织与强韧性的耦合关系研究未见报道。本文以TC21合金为研究对象,采用Ba hr DIL805A/D高精度差分膨胀仪并结合OM、SEM、EBSD、TEM等分析手段研究了热处理工艺参数与TC21合金多层次片层组织的关系,利用Hall-Petch关系研究不同层次的片层组织与拉伸性能、断裂韧性和冲击韧性等力学性能之间的关系,找出不同热处理条件下TC21合金多层次片层组织的强度与韧性的有效控制单元。主要结论如下:在退火制度不变时,随着固溶温度的升高,合金的β晶粒尺寸与α丛束直径均增大,而α片的平均厚度却略有减小。TC21合金的拉伸性能(抗拉强度、屈服强度、伸长率和断面收缩率)均随固溶温度升高而减小,而韧性(冲击韧性与断裂韧性)均增大。在相同固溶温度条件下,随着退火温度的提高,合金的β晶粒尺寸不变,而α丛束直径与α片的厚度均随着退火温度增加而粗化,抗拉强度、屈服强度逐渐减小,而塑性和韧性增大。在不同固溶温度条件下,通过研究TC21合金多层次片层组织参量与强韧性的关系,发现合金的抗拉强度和屈服强度与β晶粒尺寸、α丛束直径的倒数平方根之间符合霍尔佩奇关系,从而认为α丛束是具有片层组织的TC21钛合金的强度有效控制单元。合金的断裂韧性和冲击韧性与片层组织α片厚度的倒数平方根满足霍尔佩奇关系,由此认为α片为合金韧性的有效控制单元;在不同退火温度条件下,断裂韧性以及冲击韧性与α丛束以及α片的厚度的倒数平方根均不满足霍尔佩奇关系,结合EBSD发现小角度界面体积分数随着退火温度的升高而增加并且断裂韧性的增加主要取决于在塑性变形过程中α片的弯曲、旋转和最终的剪切。因此α片是控制TC21合金韧性的控制单元。