為了改善鈦及鈦合金的性能，除了通過必要的合金化外，一般還要采用適當的熱處理。
鈦及鈦合金熱處理時的組織變化
鈦及鈦合金在加熱時除有冷加工組織的回復及再結晶過程外，還有化合物的溶液和a→β的多型性轉變。
鈦及鈦合金的回復過程也是在一定溫度下，通過空位及位錯的運動使形變時產生的大部分第二類內應力消除的過程。發生回復過程的溫度低于再結晶溫度，一般在500～650℃。
同其它金屬一樣，鈦及鈦合金的再結晶過程也是在變形后的組織上，在結晶晶粒的生核長大過程。此時晶格類型不發生變化，但有力學性能的變化。這一過程受到冷變形程度、加熱溫度及保溫時間的影響，并可通過冷變形率、加熱溫度和再結晶晶粒尺寸的三維再結晶出來。
合金元素對純鈦開始再結晶溫度的影響已在前節敘述過了。除鈮和鈷外，一般常用的合金元素和雜質元素均能提高鈦的再結晶溫度。
應該指出，在鈦及鈦合金中，再結晶過程往往還伴隨著一些其它組織變化。例如，在β穩定元素含量較小的近a合金和a+β合金中，伴隨著有a相的溶解及β成分的改變；在可熱處理β合金中再結晶過程往往與重結晶過程同時進行，或對隨后的時效造成孕育效果。此外，不同類型合金在室溫的顯微組織不同，參與變形的合金相不同，再結晶的進程和特點也不一樣。a合金的再結晶主要在a相中進行。除工業純鈦外，a合金冷變形能力小，因此晶粒細化效困難，在β型合金中再結晶主要在β相中進行。β合金冷變形能力很大，晶粒破碎程度大，通過再結晶可以改變原始組織。但是由于β合金晶粒長大傾向大，因此晶粒細化依然較困難。至于a+β合金，則要看參與變形的主要相，依具體情況來分析，如TC4合金的再結晶主要是a相的再結晶。
測定再結晶主要采用金相觀察和X射線衍射相結合的方法。當再結晶發生時，形變后的纖維組織上出現細小的等軸晶粒，同時x射線背反射勞厄圖相上的衍射環開始變為不連接的斑點。對于可熱處理β合金，還可以用不完全時效（500℃/4～8小時，空冷）的方法顯示再結晶組織，經不完全時效后的未再結晶晶粒在腐蝕后呈暗色。
經測定，TA2純鈦的開始再結晶溫度為550℃左右，TA7鈦合金約為600℃，TC4鈦合金約為700℃，TB2合金則750℃。 