细晶强化是提升密排六方（hexagonal close-packed,HCP）金属强度的有效方法,Hall-Petch关系可以用于描述金属强度随晶粒尺寸的变化。Hall-Petch斜率（k）代表了各材料通过晶粒细化提升强度的作用。HCP金属的细晶强化表现出强烈的晶体学取向相关性,表现为k值随取向或加载方向而变化。先前研究报道了该现象,并提出了分析细晶强化取向相关性的机制,但并未建立起定量预测与分析的方法和理论。本论文以典型的密排六方金属钛、镁及其合金为研究对象,综合运用微观组织分析、理论计算与模拟计算,在取向相关性定量预测方程、细晶强化取向相关性机制的定量分析以及基于模拟计算的定量分析方法三个方面开展了系统研究:（1）基于位错塞积模型发展了一个定量计算k值取向相关性的新方程,并验证了该方程计算镁合金k值取向依赖性的有效性。通过与试验结果对比发现,新方程能有效地计算镁合金中k值的取向依赖性。本文还讨论了新方程预测有效性高的原因。镁合金中取向对k值的影响与镁合金塑性变形的各向异性有关,这种各向异性会导致外应力和局部应力在不同取向晶粒中的分切应力值不同,新方程中同时考虑了这两种应力的影响。（2）结合晶体塑性有限元模拟（crystal plasticity finite element modeling,CPFEM）和Eshelby模型发展了定量计算不同取向镁合金k值的方法。基于CPFEM,研究了不同取向镁合金单向拉伸时的塑性变形行为并分析了晶界附近的应力分布。结果表明晶界附近的应力分布与Eshelby模型所预测的应力分布相同,拟合Eshelby模型可以得到各个晶界的应力集中因子。通过计算不同取向镁合金中各晶界的应力集中因子,获得了AZ31镁合金板材沿不同方向拉伸时的k值。该值与实验k值相符合,证明了该方法的有效性。基于该方法还分析了已有描述细晶强化取向相关性的参数与k值之间的定量关系。（3）研究了HCP结构纯钛细晶强化取向相关性的规律及机制。研究发现纯钛中k值表现出强烈取向依赖性,即沿板材横向拉伸k值(188 MPaμm1/2)远低于沿板材轧向拉伸、沿棒材锻造方向拉伸和压缩的k值,分别为358 MPaμm1/2,369MPaμm1/2和397 MPaμm1/2。结合CPFEM和Eshelby模型揭示了其机制,即该取向相关性的机制与取向导致变形传递模式转变有关。沿横向拉伸时启动多滑移的晶粒数远多于其他加载条件下启动多滑移的晶粒数,多滑移的发生将导致晶界附近应力集中降低,进而降低晶界强化效应。随后利用理论计算分析了取向导致变形传递模式改变的原因。多滑移的产生主要与已变形晶粒中各滑移系间的施密特因子差以及变形在相邻晶粒间传递的难易程度有关。与沿板材轧向拉伸、棒材锻造方向拉伸和压缩相比,板材横向拉伸时各晶粒三个柱面滑移系间的施密特因子差更小,同时相邻晶粒间启动应力差更大。这两种条件均有利于板材横向拉伸时启动大量的多滑移。（4）利用CPFEM和理论计算,定量研究了HCP结构金属中取向对细晶强化影响的特点及其机制。研究结果表明,取向对细晶强化的影响与晶界对相邻晶粒间变形传递的阻碍作用以及启动多滑移的晶粒数有关。相邻晶粒间启动应力差和相邻晶粒滑移系间几何匹配因子可以定量地描述晶界对变形传递的阻碍作用。启动应力差越大或滑移系间几何匹配越差表示晶界对变形传递的阻碍作用越大。定量计算结果表明,HCP金属中易产生一个更大的启动应力差,同时相邻晶粒滑移系间几何匹配更差,这将导致HCP材料中晶界对变形传递的阻碍作用更强。HCP材料中晶界对变形传递阻碍作用更大的主要原因是室温下可动滑移系数目少,同时不同滑移系间启动应力差大。对于HCP材料,多滑移的启动会减弱晶界对变形传递的阻碍作用,同时HCP材料中启动多滑移的晶粒分数与晶粒取向和各变形模式间临界启动应力（critical resolved shear stresses,CRSS）值有关,当启动多滑移晶粒分数很高时,多滑移的启动会有效地降低细晶强化作用。