随着航空航天、海洋工程和高端装备的不断发展。传统的材料已很难满足关键机械构件的服役要求。TC21合金因其出色的力学性能,作为结构材料备受青睐。而多层次片层组织具有优异的损伤容限性能,是高强钛合金典型服役组织之一,所以深入研究其工艺-组织-性能关系,对于保障高强钛合金构件的安全稳定性非常重要。本文以TC21合金为研究对象,利用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）和电子背散射衍射（EBSD）等表征技术,探索了热处理工艺参数对TC21合金多层次片层组织的影响,深入研究了合金在静载荷和冲击载荷下多层次片层组织与力学性能的关系,并通过Hall-Petch关系探索合金强塑性控制单元,系统的研究了裂纹萌生和裂纹扩展机制。主要结论如下:经过三重热处理后,合金元素分布和组织都发生了显著变化。Ti,Al元素在α/β界面处含量较少,而Mo元素在α/β界面处含量增加。随着退火温度增加,α丛束（αc）尺寸变大,初生α片（αp）和β基体（βt）宽度逐渐增加,βt上析出的时效α片（αs）数量增多,尺寸变小。时效温度基本不改变β晶粒、晶界α（Gα）、αc的组织特征,当时效温度升高,αs的尺寸变大、数量变少,Vα先增加后减小。通过Hall-petch公式拟合发现,多层次组织中αc、αp和αs都是强度的控制单元,其中αs是所有亚结构中强度的最小控制单元,且对强度影响最小。多层次片层组织的力学性能不能由单一的亚结构决定,而是需要结合多层次组织综合考虑。细小的αs增加了相界总面积,减小了位错塞积和元素偏析,能有效增加合金的冲击和断裂韧性。此外在混合断裂机制中,微孔区占断口的面积比越大,韧性越大。大量的解理断裂和沿晶断裂虽然增加了裂纹扩展长度,但二者属于低能界面,对韧性贡献小。在对TC21合金裂纹萌生和裂纹扩展的研究中发现,当应力集中于α/β界面和Gα时,容易发生裂纹萌生,裂纹扩展过程中遵行强度原则和应力原则,由于α/β相界面和晶界宽大且容易造成位错塞积。因此在断口中发现大量的解理断裂和沿晶断裂,二者有助于裂纹扩展路径的增加。同时经过对各种断口和断口剖面的分析发现,αc大小对裂纹扩展路径有很大影响,αc尺寸过小或过大都不利于裂纹扩展方向的改变。