钛由于其较高的比强度、优异的耐腐蚀性能以及良好的生物相容性,被广泛应用于航空航天、汽车船舶与生物医疗领域,但是其较低的工程强度限制了钛在工业上的进一步应用。通过引入合金元素实现钛的合金化,能够结合固溶强化与析出强化显著提高材料强度,但是会降钛的耐腐蚀性能及生物相容性。近年来研究发现使用剧烈塑性变形手段能够在不改变材料成分的前提下,结合位错滑移与变形孪生这两种塑性变形方式,通过形变强化与细晶强化改善材料的力学性能。但是大部分研究只关注位错滑移对宏观力学性能的影响,而忽略了变形孪生与力学性能的相互关系。密排六方结构的钛独立滑移系较少,孪生起到重要的协调塑性变形的作用,尤其是协调沿着晶格c轴方向上的应变。孪晶形核能够引起晶格转动并造成局部应力状态的改变,影响材料后续的位错滑移与孪生行为。具有较低c/a轴比的钛孪生类型较为丰富,在不同变形条件下可激发{112（?）1}、{101（?）2}拉伸孪晶（ETs）与{112（?）2}、{112（?）4}压缩孪晶（CTs）形核。变形孪晶与位错滑移的相互作用在影响微观结构演变的同时,会造成材料不同的力学行为响应。因此了解钛的塑性变形机制尤其是孪生行为,对于进一步提高材料的力学性能有重要意义。本论文以工业纯钛为研究对象,通过旋转加速喷丸处理与轧制处理等剧烈塑性变形方法对材料进行加工;使用光学显微分析（OM）、X射线衍射分析（XRD）、背散射电子衍射技术（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）等手段研究纯钛变形过程中的微观结构演变规律,尤其是位错滑移与变形孪晶的相互作用机制;对孪晶变体进行定性的标定与定量的分析,阐明不同变形条件下孪生系与孪晶变体的选择机制;结合不同孪晶变体在三维应力作用下的施密特因子分布,建立晶体局部应力模拟模型,通过对比研究晶体的局部应力与材料宏观应力之间的共性与特性;使用准静态单轴拉伸试验与显微硬度测试,分析不同微观结构对纯钛力学性能的影响规律;在了解纯钛的位错滑移与变形孪晶特性的前提下,通过调控材料结构与变形条件,制备具有良好强塑性匹配的材料。研究主要取得以下进展:（1）通过旋转加速喷丸处理制备变形层深度为2000μm的梯度结构钛,EBSD与TEM分析结果表明位错滑移与变形孪晶是纯钛晶粒细化的主要手段;当晶粒尺寸下降至钛中孪晶形核的临界尺寸时（750 nm）,塑性变形机制由滑移与孪生共同作用转变为位错滑移主导;孪晶交割能够有效促进晶粒细化过程,孪晶交割中孪生位错反应产生的不可动位错塞积与可动位错滑移,使得孪晶片层破碎,甚至造成退孪晶化。（2）使用EBSD技术对纯钛的变形机制与力学行为的晶粒尺寸效应进行研究,发现低温轧制钛中的孪晶密度以及每个晶粒中的孪晶数量随着晶粒尺寸的上升而增加,有孪晶形核的晶粒比例随着晶粒尺寸的上升首先快速增加,达到临界晶粒尺寸后趋于平稳直至达到饱和;与{101（?）2}ET相比,{112（?）2}CT的形核对晶粒尺寸变化更为敏感;退火处理钛中,较小晶粒尺寸钛的强度与加工硬化率较高,而轧制处理钛中,较大晶粒尺寸钛由于较高的孪晶密度与较低的储存位错密度,表现出更强的加工硬化能力。（3）结合旋转轧制与退火处理获得织构强度为14.33的基面织构钛,后续通过不同轧制条件下试样的微观结构研究发现,孪生切变较小的{101（?）2}ET形核简单,是室温变形钛的主要孪生类型;孪生切变较大的{112（?）2}CT协调变形效率较高,是低温变形钛的主要孪生类型;通过调控初始织构与变形条件成功制备孪晶体积分数达67.32%的多级孪晶结构钛（HTS-Ti）,在晶界强化与位错强化的作用下HTS-Ti的屈服强度达950 MPa,抗拉强度达1 GPa。（4）采用EBSD技术对钛中的高次孪晶现象进行研究,表明高次孪晶中孪生系的选择由晶体取向与应力方向控制;由于变形孪晶能够使得晶格发生转动,根据晶体c轴与应力方向夹角的不同分别可形成ET→CT→ET与CT→ET→CT三次孪晶,或仅能形成二次孪晶;高次孪晶中变体选择由施密特因子控制,结合局部应力模型发现晶体的局部应力与材料的宏观应力差异较小,两者夹角小于10°。（5）使用半原位轧制对钛中的{112（?）2}孪晶对进行研究,发现变体沿着不同方向形核的孪晶对形核能主要由晶格畸变与宏观应力提供,变体沿着相同方向的形核的孪晶对形核能由孪晶引起的局部应力与宏观应力提供;结合施密特因子、几何协调因子、基体取向差分析表明孪晶对中变体选择受施密特因子控制;随着基体取向差增加几何协调因子下降,孪晶变体需要更高的施密特因子才能形核。