采用室温等径弯曲通道变形(ECAP)+旋锻复合加工工艺制备超细晶纯钛，用GLEEBLE 3800热模拟试验机对其进行热压缩实验。研究了复合形变超细晶纯钛在温度为200、300、350、400和450℃，应变速率为0.01、0.1和1 s-1条件下的变形行为。结果表明：实验中真应力-应变曲线的动态再结晶特征显著，出现了明显的单峰值应力。根据复合形变超细晶纯钛的峰值应力值建立的Arrhenius本构方程能预测峰值应力，平均相对误差仅为4.44%；大塑性变形试样在热压缩前进行的保温处理，增大了发生动态再结晶的临界应变值，其材料常数为0.8329；材料变形中的动态再结晶行为发生在应变大于0.1而小于0.4的阶段，应变大于0.4时发生二次硬化。

对纯钛进行2道次室温等径弯曲通道变形(ECAP)、等径弯曲通道变形加旋锻复合变形(ECAP+RS)并在旋锻后在300℃和400℃退火1 h，制备出4种具有不同组织的超细晶纯钛。对这4种超细晶纯钛进行疲劳裂纹扩展实验并观察分析超细晶纯钛的显微组织和疲劳断口的形貌，研究了裂纹的扩展行为。结果表明：显微组织对超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展门槛值和近门槛区有显著的影响；超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展门槛值随着塑性变形量的增大而增大，随着旋锻后退火温度的提高而降低；疲劳裂纹扩展速率曲线因超细晶纯钛晶粒尺寸和强度的影响出现转折，转折前ECAP+RS复合变形纯钛的抗疲劳裂纹扩展能力比ECAP变形强，且随着退火温度的提高而降低；转折后4种超细晶纯钛的疲劳裂纹扩展速率相差较小，呈现出相反的结果。疲劳裂纹扩展寿命中转折前近门槛区裂纹扩展寿命占绝大部分，因而转折前的门槛值与近门槛区的扩展速率对抗裂纹扩展能力更为重要。