本文主要研究了Ti-15-3合金在轧制中纳米组织的形成和演化规律以及热处理对其组织、结构和性能的影响。采用五种冷轧工艺(40%/道次-3道次单向轧制,30%/道次-5道次单向轧制,10%/道次-11道次单向轧制,10%/道次-9道次交叉换向轧制,30%/道次-5道次交叉换向轧制)可以轧制出厚度为0.6mm左右的Ti-15-3合金板材,在板材内部形成了较大范围的纤维组织,其内部的晶粒碎化到纳米尺度。三种单向轧制工艺得到的纳米晶粒尺寸在50nm以下,衍射图呈现非常连续和完整的衍射环,交叉换向轧制工艺得到的纳米晶粒比单向轧制得到的粗大,衍射图呈现不连续衍射环。各轧制工艺后样品的XRD图谱显示,衍射峰均明显宽化,进一步证实了纳米晶粒的存在。在五种轧制工艺中,抗拉强度和屈服强度均随轧制道次的增加,先迅速升高,而后变化缓慢,最后有所降低。研究表明,轧制过程中纳米组织的形成过程可分为三个阶段:第一个阶段,由于塑性失稳而形成局部剪切带;第二个阶段,带状组织内部各个方向平行排列的剪切带相互交叉和逐渐碎化;第三个阶段,形成较大范围条形纤维组织,其内部组织已经完全碎化为纳米晶粒。对40%/道次-3道次轧制态合金进行450℃～800℃不同保温时间的热处理,得到了纳米晶粒长大动力学曲线,并根据Arrhenius方程计算了单相区和两相区的晶粒长大激活能,450℃～650℃,Q1=79.3KJ/mol;750℃～800℃,Q2=200.8KJ/mol。本文还系统的研究了40%/道次-3道次轧制态合金经不同热处理工艺后析出相的变化过程及两相间取向关系。对于非纳米区域,450℃保温时,α相为针状;550℃保温时,α相由针状逐渐长大为长条状;650℃保温时,为凸透镜状。对于纳米区域,由于基体为纳米晶粒使得α相在450℃～650℃保温时始终为细小的针状,并且尺寸极小。通过两相电子衍射花样得到了β相和α相之间的位向关系,即:<110>α‖<111>β,(001)α‖{110}β。经标定发现α相与基体有12种可能的取向关系,即12种变体,各变体的析出惯习面为{111}β。40%/道次-3道次轧制态合金在450℃保温4h后,硬度达到了峰值,为HV532.8。550℃保温时,达到峰值硬度的时间变为30min,但硬度值大幅度下降。650℃保温时,硬度始终低于热处理前。不同热处理工艺下的强度变化与硬度变化有相似的规律,经450℃保温4h的工艺后,合金的抗拉强度可高达1562MPa,较原始固溶态合金可提高约830MPa,而延伸率仅为1.8%。这些性能的变化均与热处理过程中析出相的形貌、弥散程度以及转变量有关。