金属锆及钛锆合金具有高的比强度，良好的抗腐蚀性能和疲劳性能，在航空航天、船舶工业以及核工业领域有着不可替代的应用。但是其强度与塑性、断裂韧性之间呈倒置关系，低塑性、低断裂韧性极大的限制了高强度锆及其合金的应用，因此制备出同时具有高强度、好的塑性与韧性的金属锆及其合金具有重要意义。本文采用微力拉伸、小冲孔实验技术与Ansys有限元模拟、X射线衍射分析(XRD)、光学(OM)和透射电子显微分析(TEM)等技术针对纯金属锆与钛锆合金的微结构与力学性能等问题开展了如下几个方面的研究工作。为了评估微小试样的断裂韧性，本研究采用小冲孔实验。通过对几种常用合金的研究，证实了利用塑性应变能密度为载体，将微型的小冲孔实验与传统紧凑拉伸实验结合，评估微小试样材料的断裂韧度是可行的，而且证实利用小冲孔实验技术对厚度为0.3mm，直径为10mm的微小尺寸的样品的断裂韧性评估结果是可靠的。利用严重的轧制变形与热处理相结合的热机械加工工艺，成功制备出微米级初生的α_p大晶粒、粗大的α板条以及呈针状的α″析出相共存的跨尺度“三态结构”TiZr51合金，并且研究了时效工艺参数对TiZr51合金微结构与机械性能的影响规律。合理的控制工艺参数，能够实现该合金同时具有高的强度、好的塑性与韧性。采用液氮低温下严重轧制变形与热处理相结合的热机械加工，成功制备出具有不同粗晶体积分数的多尺度结构的锆金属，并且发现其强度与粗晶体积分数符合混合法则，但是平行轧制方向的塑性正偏离于混合法则，提高的塑性归因于在平行轧制方向上具有很强的(002)织构。当调控出合适的晶粒尺寸分布时，可以获得高强度、高塑性以及断裂韧性最优化的金属锆。