高的强度与好的塑性是结构材料能够广泛应用的先决条件。然而通常情况下，大多数材料的强度与塑性呈现倒置的关系。比如说，纳米晶金属与合金具有很高的强度，但是这些材料的塑性通常非常低，这极大地限制了它们的实际应用。因此，使得结构材料同时具有高的强度与好的塑性对于发展与应用先进结构材料具有重要意义。此外，材料的结构热稳定性对其服役与应用同样至关重要。本文选择Zr金属与亚稳β-ZrTiAlV合金为模型材料，采用强变形与后续的热处理相结合的工艺，采用X射线衍射分析(XRD)、光学显微分析(OM)、透射电子显微分析(TEM)、扫描电子显微分析(SEM)以及微力拉伸试验机(Instron5948)等技术针对Zr金属与ZrTiAlV合金的微结构与相组成、力学性能以及结构热稳定性进行了以下研究。通过液氮低温轧制强变形技术，对位错组态进行调控，在Zr金属中实现了异常的韧化行为，即强度与塑性随着应变量的增加而同时提高。在高应力的拉伸过程中，低温轧制引入的高密度预存位错开动导致了异常的塑性提高，而低温强变形导致的高密度位错使得强度逐步提高。通过调控特定的位错组态，可以提高强变形材料的力学性能。通过液氮低温轧制强变形与后续热退火相结合的技术，制备出了具有不同晶粒尺寸分布的多级结构Zr金属，它们由纳米晶、超细晶以及微米级粗晶所组成。随着粗晶体积分数的增加，多级结构Zr的强度降低规律近似遵循混合法则，而沿轧制方向的塑性增加则正偏离于混合法则。与粗晶结构的Zr相比，其抗拉强度与均匀延伸率分别是σb~350MPa与εu~13.8%，晶粒尺寸分布为200nm~1.6μm、由78%的超细晶与22%的粗晶所组成的多级结构Zr实现了强度与塑性更好的结合，其强度与塑性分别是σb~650MPa与εu~13.4%。通过调控合适的晶粒尺寸分布，可以实现多级结构材料的性能最优化。通过室温轧制强变形与后续再结晶退火以及时效处理相结合的技术，制备出了以平均晶粒尺寸为~12μm的细小β晶粒尺寸为基础且由平均晶粒尺寸为~1.5μm的微米级初生αp大晶粒、平均厚度为~200nm的亚微米级α板条及平均厚度为~15nm的纳米级针状等温α″马氏体相所组成的多级、多相纳米板条结构的ZrTiAlV合金。该多级、多相纳米板条结构导致了优异的综合拉伸力学性能，比如极限抗拉强度σb~1545MPa与失效延伸率εf~7.9%共存。通过获得多级、多相纳米板条结构可以获得具有优异力学性能的先进钛合金。通过室温轧制变形与后续再结晶退火以及时效处理相结合的技术，制备出了不同多级结构的ZrTiAlV合金，并研究了这些多级结构对热稳定性以及力学性能的影响。认为严重的强变形累积(~93%)有助于形成细小(~8μm)的β晶粒尺寸以及由初生的αp大晶粒、亚微米级的α板条与纳米级针状等温α″马氏体相所构成的多级、多相纳米板条结构。与其不含αp大晶粒的粗板条的类似结构相比(比如Tβ~105℃, σb~1490MPa与εf~5.9%)，该多级、多相纳米板条结构导致了ZrTiAlV合金大幅提高的热稳定性(Tβ~275℃)，即β→α″+β相变起始温度，与优异的力学性能(σb~1550MPa、εf~8.0%)更好的结合。