钛及其合金是广泛应用于航空航天、船舶、兵器、生物及工业等诸多领域的重要工程材料。大量研究表明，片层组织α+β钛合金具有更高的断裂韧性和抗裂纹扩展能力，而它的力学性能会受到晶体学取向、集束尺寸和界面强度等微观组织因素的影响，这意味着包含相同取向α/β片层的集束是片层组织钛合金内的关键结构单元。前人的研究主要集中在平均组织特征与力学性能间关系，未细致研究结构单元组合对力学性能的影响。随着钛合金应用范围不断扩大，对钛合金综合力学性能、低成本和加工工艺性能提出了更为苛刻的要求。获得综合性能更好的组织是人们亟需解决的重要科学问题，而澄清钛合金结构单元组合对力学性能影响的认识是其中的基础问题之一。　　本文选取了片层组织α+β钛合金为对象，采用小尺度样品，系统研究了钛合金中片层组织微观结构单元强度、塑性、疲劳与保载疲劳性能，以及高温下的变形行为。通过扫描电镜结合电子背散射衍射技术表征了片层组织结构单元的塑性形变和疲劳损伤行为以及晶体学特征;利用统计学方法，分析了小尺度片层组织TC11合金样品中集束和组织结构单元晶体学参量与材料强度、塑性以及疲劳性能间的相关性;通过一维结构单元组合的模拟计算，探究了片层组织结构单元组合对合金疲劳性能的影响规律;通过纯疲劳和保载疲劳的对比实验，研究了片层组织Ti-6Al-4V合金样品保载疲劳损伤和断裂行为，提出了保载效应的简化模型。此外，通过热压缩变形方法，研究了片层组织TC11合金在变形温度从室温到950℃区间内，片层组织结构单元损伤行为随变形温度的变化。论文获得如下主要结果:　　(1)小尺度片层组织TC11合金样品的原位拉伸实验结果表明，集束内滑移带剪切可造成样品的最终断裂。提出的等应力-等应变模型揭示了小尺度样品拉伸断裂性能受单一集束内应变水平控制的规律。　　(2)小尺度片层组织TC11合金样品的拉伸实验结果表明，样品内平均集束尺寸越大且具有的Schmid因子越高，其拉伸屈服强度越低，塑性越高。集束Schmid因子和几何尺寸的统计分析结果表明，由大Schmid因子及大几何尺寸集束组合的弱结构单元比例越高，小尺度TC11钛合金样品拉伸屈服强度越低。综合几何尺寸和Schmid因子在小尺度样品中的统计分布特性，提出了平均Schmid因子概念，小尺度TC11合金拉伸样品中集束组合的平均Schmid因子之和越大，样品塑性越高。　　(3)小尺度片层组织TC11合金样品的弯曲疲劳实验结果表明，在相同应变幅下，样品内结构单元组合不同，疲劳寿命变化区间可达102至105周。定义了疲劳裂纹萌生危险点出现概率Pini和开裂因子x来表征疲劳裂纹萌生难易程度，实验发现疲劳总寿命与该两个参数均呈倒置关系。定义了与集束界面数量和特性相关的裂纹扩展阻碍能力(IBF)值。实验结果表明，样品IBF值越大，弯曲疲劳总寿命越高。一维结构单元组合样品的模拟计算结果表明，在具有最小IBF值的结构单元组合样品中，α相沿受力方向的晶体学取向集中分布于柱面Schmid因子较高区域，而在具有最大IBF值的结构单元组合样品中，α相沿受力方向的晶体学取向分布更为分散。原始β晶粒沿受力方向的晶体学取向分布与IBF值关系不大。　　(4)片层组织Ti-6Al-4V合金纯疲劳和保载疲劳实验结果表明，纯疲劳和保载疲劳的疲劳变形行为相似，但保载疲劳样品整个标距区域均发生了明显的变形损伤，而纯疲劳样品标距区中仅靠近断口处发生了局部化的变形损伤。与纯疲劳样品相比，保载疲劳样品中的疲劳裂纹更容易在集束界面处产生。基于纯疲劳和保载疲劳开裂行为的差异提出了保载效应模型。模型表明，随着保载时间、外加峰值应力和集束尺寸增加，保载疲劳寿命较同等应力幅下纯疲劳寿命下降更为显著。　　(5)片层组织TC11合金的热压缩实验结果表明，片层组织在不同变形温度下表现出不同的变形模式:室温以片层组织的剪切变形为主，300℃开始出现片层薄化行为，600℃以上发生片层的扭折，而950℃以球化为主，变形引起的片层组织局部破坏区域，在温度作用下更容易发生球化。