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Ti-Nb系β型钛合金具有良好的生物相容性、低弹性模量、良好的耐腐蚀性、适宜的强塑性等,可以作为人体植入金属材料,是最具应用潜力的新型医用钛合金之一。本文以二元Ti-Nb系列合金为研究对象,研究了单相Ti-53Nb合金的高温变形行为以及室温变形和固溶处理对组织性能的影响,并探讨了时效态Ti-xNb(x=20、25、45)合金的组织性能关系,这将为合金组织控制、性能改善以及新型β钛合金的设计提供理论依据。本文通过Gleeble热模拟实验研究了Ti-53Nb合金的高温变形行为,探讨了组织演变规律,构建了应变补偿的双曲正弦函数Arrhenius本构关系和组织演变模型,并对预测的结果进行了评估。应力-应变曲线和组织观察表明,Ti-53Nb合金在760℃及以下的流变曲线呈动态回复型,810℃及以上组织中观察到再结晶晶粒,但均为不完全再结晶,组织中仍保留有大尺寸被拉长晶粒;变形温度、应变速率和变形程度对组织均有影响,低温变形时,中心变形区域发生局部失稳,变形不均匀;高温低应变速率下,再结晶驱动力大,新晶粒更容易产生。基于应力本构关系和动态再结晶组织演变模型,建立了Ti-53Nb合金的数据库,为数值模拟计算和预测应力以及微观组织变化提供了模型依据。并采用Deform 3D有限元仿真模拟的方法对热挤压管材挤压工况(挤压比、挤压速度以及坯料预热温度)进行了优化,确定了适合的热成型工艺范围。挤压比增大,晶粒得到细化;挤压速度升高,晶粒分布均匀性提高。实际挤压试验中,在挤压速度130 mm/s、挤压比为15和950℃的坯料预热温度下制备出了内、外表面质量良好的管坯。外形尺寸偏差小,组织分布较均匀。采用室温复合变形和固溶处理的方式,研究了合金组织演变以及β晶粒的长大行为,并分析了加工硬化和细晶强化效应。通过室温等径角挤压、冷轧以及室温旋锻的方式制备了组织较为均匀的Ti-53Nb合金棒材。室温抗拉强度由变形前的380MPa,提升到了变形后的553MPa,提高了45.53%,延伸率也在16%以上,位错密度升高、强化效果显著,原始晶界无法辨别并出现了大量纵横交错的变形流线。进行固溶处理,固溶温度升高,β晶粒长大速率加快,而晶粒长大速率随保温时间的延长发生下降;晶粒尺寸对合金的强化作用满足Hall-Petch关系式。在700℃,保温60min的条件下,组织均匀呈细小等轴状,可以获得良好的强塑性匹配。对不同Nb元素含量的Ti-xNb合金进行了测试,分析了第二相的强化效果。随着Nb元素含量的增加,β相稳定性不断增强。Ti-20Nb合金析出α相最多,Ti-25Nb合金析出α相减少,并且发现了等温ω相的存在,Ti-45Nb合金组织由等轴β晶粒组成;不同析出相均起到了强化的作用,ω相阻碍晶界移动,造成次生α相较小,并且阻碍变形过程中的位错运动,强化效果最强。Ti-25Nb合金抗拉强度最高,达到了950MPa,但塑性较差,伸长率仅在13%左右。合金在拉伸过程中,主要发生韧性断裂,而ω相的析出将造成合金脆化,出现脆性断裂的特征。