TC16钛合金的名义成分是Ti-3Al-5Mo-4.5V,是一种具有高淬透性、强韧性的新型α+β型双相钛合金,如今在如铆钉、螺栓等飞机紧固件等方面得到了非常广泛的应用。对于TC16钛合金而言,热处理是控制性能的最关键工艺步骤之一。近年来,国内研究人员探索了影响TC16钛合金的组织和力学性能的不同热处理工艺,但他们只是定性地分析了其变化规律,而没有进行定量描述。在固溶时效处理（STA）及退火处理过程中,工艺—组织—性能之间的关系仍然不明晰。本文以TC16钛合金棒材作为研究对象,采用不同温度及时间进行了固溶时效处理和退火处理,通过光学显微镜（OM）金相分析、扫描电镜（SEM）金相和断口分析,结合拉伸试验、冲击试验和硬度试验,对其热处理工艺与微观组织以及力学性能的关系进行了比较系统化的研究。确定了TC16钛合金在单相区及双相区的β生长动力学,经过双相区固溶时效处理、单双相区退火处理的微观组织特点和变化规律以及其对力学性能的影响,同时实现了对TC16钛合金经双相区固溶时效处理后关于工艺—组织—性能三者之间的量化关系。研究表明:（1）通过连续加热金相法测得该批次TC16钛合金棒材的相变点Tβ为865℃。并在Hillert的晶粒尺寸量化模型的基础上,得到了TC16钛合金单相和双相区粗化晶粒生长的动力学模型;（2）TC16钛合金经双相区固溶处理后,在560～600℃范围内进行6～10小时时效处理,通过统计分析得到了时效工艺参数（温度、时间）与微观组织、力学性能之间的量化模型。以此得到在此模型变量范围内TC16钛合金经双相区固溶时效处理后最优强塑性综合力学性能的时效工艺:时效温度580℃,时效时间8小时,此时合金强塑积高达24.43GPa%。（3）在780～880℃温度条件下对TC16钛合金退火3小时并采取不同冷却方式,研究工艺参数变化对合金的微观组织及力学性能的影响。随着退火温度的升高,晶粒尺寸逐渐变大,初生α含量逐渐降低,其抗拉强度、屈服强度和冲击韧性呈现出先升后降的趋势,而塑性和硬度值一直降低。以此得到了在此退火温度区间内TC16钛合金棒材综合力学性能最佳的退火处理工艺:在840℃退火保温3小时后炉冷至550℃,而后空冷至室温得到抗拉强度和屈服强度分别为999.75 MPa、893.13 MPa,断后延伸率和断面收缩率分别为21.48%、61.06%,冲击韧性达到了179.67J/cm~2。