TC21合金是我国自行研制的一种新型高强高韧两相钛合金，本文主要对合金机械热处理工艺、微观组织和室温机械性能之间的关系作了系统的研究。通过光学金相组织分析、扫描断口分析、透射电镜分析、能谱分析等研究手段，结合机械热处理工艺，总结出了工艺对合金组织、性能的影响规律，探讨了合金的强韧化机理，同时对合金的热稳定性也作了初步研究，为合金的实际工艺制定提供理论依据。 研究表明，合金的机械热处理工艺对合金组织、性能有较大的影响，常规锻造、α+β两相区热处理得到等轴组织，具有较高的强度，塑性富裕，断裂韧性较低，断裂方式为韧窝开裂；β锻造、α+β两相区热处理时得到网篮组织，强度较高，塑性较低，断裂韧性较高，断裂方式为穿晶准解理开裂。随着固溶温度的升高或者固溶后冷速的加快，合金β转变组织增加，强度升高，塑性降低。随着时效温度的升高或者时效时间的增加，强度先升高，后降低，塑性有相反的趋势。采用β锻造、α+β两相区热处理工艺能得到强度、塑性和断裂韧性较为匹配的综合性能。对合金进行长时间热暴露研究表明，合金具有较好的热稳定性，经600℃、200小时时效后的组织形貌中未观察到第二相的存在，但电子衍射试验证明有少许有序Ti₃Al相析出。电镜观察发现合金中有少量界面相存在。