本文对Ti-2.5Cu合金采用不同的时效工艺改变组织中增强相的尺寸、形貌和取向，研究了强化相的析出，系统地研究了颗粒增强Ti-2.5Cu合金在不同的施载模式下的力学性能和变形机制，最后分析总结了α钛合金中的孪生变形特征。根据对孪晶-孪晶、孪晶-强化相、孪晶-晶界之间相互作用的分析，以及增强相对孪晶形成过程的影响，最后确定钛合金中合适的增强相，结合强化相对材料强度的贡献和孪生切变对塑性的贡献，设计出一种低温高强度高塑性的钛合金材料。本文研究结果表明：Ti-2.5Cu经不同的固溶和时效处理后均得到Ti₂Cu亚微米级针状增强颗粒，其硬度在2000～2400MPa之间。固溶双重时效后的Ti-2.5Cu近α钛合金经单调静载荷试验后，获得高的强度，同时保持了高的塑性；但在冲击载荷下得到的韧性较低，不适合在冲击载荷下使用。并通过对时效态Ti-2.5Cu进行循环疲劳载荷试验，发现低温循环应力较大。大应变幅下低温疲劳寿命较长，也说明了时效态Ti-2.5Cu的塑性较好。时效态Ti-2.5Cu合金之所以有良好的低温性能，与它的微观变形机制密不可分。该材料的断裂过程是微孔的形核、长大和聚合的过程；室温变形是以位错滑移机制为主；低温变形以孪生切变为主。低温循环载荷下发现三种类型的孪晶：（?）和（?）型拉伸孪晶、（?）型压缩孪晶。值得关注的是时效强化Ti-2.5Cu合金中的Ti₂Cu强化相阻碍了位错的运动导致了明显的硬化，另一方面却对孪晶的形成没有明显的影响，然而由于TWIP机制，使得Ti-2.5Cu合金的塑性得到提高。由于α钛合金在低温下有着非常丰富的孪生变形，本文提出了一种设计低温高强度、高塑性材料的方法：通过原位反应生成颗粒增强相的方法来获得更加高强度的材料，同时利用孪生诱发塑性机制，可使材料保持高的塑性，来获得更多具有高强度和高塑性的工程材料。