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双相材料能够抑制各组成相缺点，发挥各自优点，因此通常具有良好的综合力学性能和优异的塑性加工成形能力。多晶材料是由晶粒形貌各异、晶体取向随机分布的单晶体聚合而成，常常表现出各向均匀的宏观力学性能，广泛用做工程结构材料。然而，由于各组成相的晶体结构、物理和力学性能各异，双相以及取向、形貌，尺寸等各异的晶粒之间相互影响，双相多晶材料微观塑性变形机理，两相、多晶之协调变形行为及机制以及微观组织演化都较为复杂，缺乏系统地定量研究。TA15钛合金是一种典型的近α钛合金。该合金具有比强度高，热稳定性好，抗蠕变性能优异，可焊性强等优点，因而被广泛地应用于航空航天工业中关键零部件的制造。然而，目前关于ΤΑ15钛合金的微观塑性变形机理的研究常常忽略β相的作用，缺乏对双相、多晶间的协调变形机制方面的研究；对塑性变形变形过程中组织演化及微观机理的缺乏定量表征和系统分析。本文以TA15钛合金为例，采用纳米压痕、电子被散射衍射技术、扫描电镜、透射电镜等实验测试方法，结合晶粒尺度应力应变分布的计算、几何必须位错密度的计算，晶体塑性有限元法，系统研究了双相多晶材料微观塑性变形机理，两相多晶协调变形机制；定量表征了塑性变形过程中晶粒形貌、尺寸、分布及晶体取向等特征，并以此分析探讨了微观组织的演化机理。利用纳米压痕技术，测定了双相多晶TA15钛合金中α，β相各自力学性能参数，揭示了压痕附近应力应变场几何必须位错密度的分布特征。结果表明，α相的弹性模量和硬度均明显高于比β相；压痕附近应力应变场和几何必须位错密度的分布受邻近较软β相影响显著。FIB-EBSD(Focused Ion Beam-ElectronBackscatter Diffraction)技术对微观组织三维分析表明β相在三维空间呈彼此连通的网络结构，α晶粒镶嵌于网状结构的β相中。开展了TA15钛合金准原位拉伸实验，定量表征了不同变形量下滑移系统开动、晶体取向演化、应力应变和几何必须位错分布特征，进而探讨了微观塑性变形机理和两相多晶之间的协调变形机制。结果表明，TA15钛合金在低应变量(<0.1)和低应变速率(~1×10-4s-1)的室温变形条件下，仅有单一的位错滑移机制。滑移系的开动以基面和柱面为主，随着应变量的增加，锥面滑移也逐步启动。塑性变形过程中两相多晶之间协调变形表现为滑移系的开动从单系滑移逐步演化为多系滑移，并伴随着明显的滑移穿过相界/晶界的现象。研究表明，α/β之间晶体取向关系，β层的厚度等都对滑移穿过即协调变形行为有着重要影响。此外，多晶体的晶粒形貌、尺寸、空间分布以及相邻晶粒之间的相互作用等因素对滑移系统的开动、晶粒尺度应力应变分布、几何必须位错的密度分布和多晶之间协调变形行为及机制都有着明显影响；Schmid定律在预测多晶材料塑性变形过程滑移系的开动情况时存在一定的局限性。基于TEM观察，结合位错不可见判据，揭示了位错线的形貌与组态演化，进一步验证塑性变形微观机理。开展了TA15钛合金在两相区(750°C~850°C)拉伸变形实验。基于热激活能计算和EBSD技术对微观组织的定量表征，分别对其热变形机理，多晶变形行为与微观组织演化机理进行了研究。结果表明，随着变形温度的升高，变形机制逐步由位错滑移机制演化为由扩撒控制的位错攀移机制；两相多晶之间均匀协调变形能力逐渐增强。该过程中微观组织的演化主要包括再结晶和晶粒球化现象。再结晶机制由750°C时连续动态再结晶逐步转化为850°C时非连续动态再结晶机制。随着温度的升高，条状α晶粒的球化机制也逐步由依靠变形导致的位错累积、亚晶旋转、小角度晶界逐渐转化为大角度晶界逐步转变为依靠动态再结晶生成大量等轴晶粒。结合EBSD观察与分析，开展了TA15钛合金在近β相及β相区热压缩变形过程中两相多晶之间的协调变形及微观组织演化的定量研究。结果表明，近β相区(980°C)压缩变形对于细化晶粒，提高微观组织分布的均匀性有着重要的意义；高温β相区的压缩应变、应变速率以及后续冷却速度对β→α相变过程中α变体与β相基体之间Burgers晶体取向关系的遵守并无明显影响；但应变速率和冷却速率对α变体形貌及尺寸却有着显著的影响。建立TA15钛合金β相高温压缩变形模型的晶体塑性有限元模型，分析了不同应变量及应变速率下高温β晶粒内应力应变分布特征。结果证实，β相区压缩应变和应变速率对应力应变分布均匀分布无明显影响，从而合理的解释了变形量、应变速率对Burgers晶体位向关系无明显影响这一实验结果。最后，开展了ΤΑ15钛合金在近β和β相区内一系列热处理实验，定量表征了晶粒组织生长演化的微观机理，揭示了不同微观组织与对应的拉伸力学性能之间的关系。结果表明，二次α晶粒在保温过程中表现出先增长再增厚的生长模式。针对ΤΑ15钛合金，采用970°C/20min/water cooling+940°C/1×60min/aircooling的双重热处理工艺，能够获得典型的三态组织，并具备优异的综合力学性能。