α+β两相区轧制的TC4钛合金丝材经不同工艺热处理后，获得等轴组织、双态组织和片层组织，研究了微观组织特征及其对合金拉伸性能和疲劳性能的影响。结果表明：等轴组织α晶粒最为细小且具有较高的位错密度，表现出最高强度；双态组织α相较等轴组织显著长大，位错密度明显降低，具有最好的工艺塑性；片层组织原始β晶粒粗大，塑性最低。3种组织中片层组织疲劳性能最好，当裂纹长度<250μm时，不同显微组织对应的裂纹扩展速率差异较大，片层组织的扩展速率最低，等轴组织最高；当裂纹长度>250μm时，3种组织的裂纹扩展速率无显著差异。综合考虑TC4钛合金丝材的力学性能和工艺塑性，应选择双态组织作为产品的最终组织状态。