TC21钛合金是我国自主研发的一种新型高强α+β钛合金,广泛应用于对强度以及耐久性要求较高的航空领域重要或关键承力部件。因此,开展TC21合金微观组织与力学性能之间的关系规律的研究,对航空航天飞行器的安全应用具有重要意义。本文以淬火马氏体组织的TC21合金为研究对象,经两相区不同温度下的热机械变形和中温单步时效处理方式的结合优化TC21合金的力学性能,研究微观组织演变规律与机理,以及显微组织对拉伸性能和冲击韧性的影响规律与潜在机理,为该合金的生产及应用提供数据支撑和理论指导。同时,澄清热处理过程中氧进入对马氏体组织和双态组织的TC21合金的组织演化和力学性能的影响。本文的主要研究结论如下:（1）与其他工艺所获得的TC21合金的强塑积相比,本研究工艺获得的900°C轧制样及其520°C时效样的强塑积略高,体现了以淬火马氏体作为热机械变形处理的初始组织的优越性。（2）随着轧制温度的增加,初生α（αp）相的体积分数逐渐降低,β转变(βtrans)组织的体积分数逐渐增加,二次α（αs）相的形貌由长宽比较小的短棒状转变为长宽比较大的片层状。高温轧制过程中αs相的析出形貌的改变取决于析出位置由位错向界面转移。与轧制样相比,时效处理促进更多细小的αs相的析出,这归结为基于伪调幅分解机制的成分波动,使得αs相的形成率大幅度提升。同时,随着时效温度的增加,αp相的体积分数逐渐降低,βtrans组织的体积分数略微增加,且αs相发生显著的粗化。αs相的粗化归因于母相β相中更大的成分波动。（3）随着轧制温度的升高,合金强度逐渐增加,这归因于βtrans组织体积分数的增加所导致的总的αs/β相界面的增加。与860°C和900°C轧制样相比,其时效样强度的提升归结为更多细小αs相的析出所导致的αs/β相界面的增加。与940°C轧制样相比,其时效样强度的增加归因为短棒状αs相的析出以及βtrans组织更小的变形。不论热轧温度的变化,在500°C-600°C的范围内,随着时效温度的增加,合金的强度均下降,主要原因是αs相的粗化导致的αs/β相界面的体积分数减少。且随着时效温度的增加,合金的冲击韧性也逐渐降低。（4）以900°C轧制样及其时效样为例,利用纳米硬度仪获得αp相和βtrans组织之间的硬度差来表征材料的关键塑性指标-延伸率。结果显示,原始样中两相之间的硬度差最小,900°C轧制样的硬度差值略微增大,而520°C时效样的硬度差值最大。那么原始样中αp相和βtrans组织的应变兼容性最好,热轧样次之,时效样的应变兼容性最差。因此,原始样的延伸率最好,热轧样次之,时效样的延伸率最差。在500°C-600°C的范围内,随着时效温度的增加,合金的延伸率下降,这归因于αp相数量的减少和αs相的粗化。（5）不论初始状态是马氏体组织还是双态组织,在高温吸氧时,随着温度的增加,氧扩散层（ODL）的深度均先增加后降低,在吸氧温度为960°C时,获得最大的ODL厚度。这表明在相变点温度附近氧元素出现反常扩散,最可能的原因是晶体结构的转变（α+β→β）。且高温吸氧时,从合金表面到基体,硬度逐渐下降,主要原因是氧元素的含量逐渐降低。同时,氧的进入能促进αp相的形成和αs相的析出。（6）经940°C热轧的试样在时效处理过程中吸氧后,合金的强度和延伸率均下降。强度的下降归结为ODL中Mo元素含量的降低所导致的硬度降低,原因是氧元素的进入将Mo元素“挤向”基体,延伸率的下降则可能是由于最表层脆性氧化物的形成。