α/β两相钛合金的力学性能,如强度、断裂韧性和疲劳寿命均呈现明显依赖于α相微观结构的现象。通过调控热加工工艺过程中的微观组织,实现材料综合性能的优化是多年来钛合金研究的重点。热加工过程中产生的晶体缺陷对α析出相的空间位向、分布和形貌等结构特征有重要影响,从而影响最终的力学性能。然而,这一影响的过程和机制十分复杂,因为单个β晶粒内可能析出的α相的取向变体高达12种之多。虽然大量实验结果证明微观结构和加工工艺存在一定联系,但更为根本的晶体缺陷和α析出相微观结构之间的动态量化关系却超出了目前实验手段所能触及的范围。鉴于此,计算和模拟方法应运而生,成为揭示晶体缺陷附近材料微观结构特征的一种有效手段。本文通过采用三维相场模型,结合位错晶体学、各向异性弹性力学,系统地研究了三种不同维度的典型晶体缺陷,即位错(一维),晶界(二维)以及初生α片层(三维)在动态演化过程中对β→α相变微观组织形成的影响;通过考虑晶体缺陷附近α相的析出行为随着晶体缺陷类型的不同而不尽相同的特征,论文所研究的主要内容和结论如下:(1)本文研究了β基体中三种类型的位错,即,直线型刃型/螺型位错以及混合型位错环对α析出过程的影响。当β基体中存在位错时,位错和α析出相的弹性相互作用主导了形核阶段α相的变体种类和析出位置,而α析出相的惯习面和位错的相对位向则主导了α相的动态生长过程。通过对模拟结果的分析发现,不同类型位错和α析出相之间的弹性相互作用能为350～1500J/mol,且刃型位错与α相的弹性相互作用比螺型位错与α相的弹性相互作用更强。同时,α相的空间位向分析显示12种等效的α变体中,只有部分α变体能在位错附近析出,导致相变过程中变体选择现象的发生。定性和定量计算均显示,刃型位错对α相空间位向的选择作用大于螺型位错,即刃型位错的存在将导致更大程度的变体选择程度。而过冷度对变体选择的影响则主要体现在相变过程中化学自由能和α析出相-位错之间的弹性相互作用能两个相变驱动力的相对大小。另外,本文还提出了定量表征变体选择程度/微观织构程度的数值计算方法,该方法不仅可用于计算模拟结果的变体选择程度,也可以通过读取实验观测结果(如EBSD位向信息),定量计算实际样品中的微观织构程度。(2)本文研究了小角度晶界(错配角度θm ≤ 10°)附近晶界无定形α相(GBα,grain boundary allotriomorphs)和晶界魏氏组织片层(WS,Widmanstaa tten side-plates)的析出过程。小角度晶界的几何结构通过Frank-Bilby理论由位错网络进行描述。GBα和WS的形貌、分布和相对体积分数随晶界类型、错配角度以及相变时间变化。对于倾转晶界,GBα主要由近等轴状的α颗粒组成,只在较小的θm下形成,并随着θm的增大逐渐消失;对于扭转晶界,GBα主要由两类层状α析出相组成,一类在θm较小时以一维方式贴近晶界平面生长,而另一类在θm较大时同时以一维和二维的方式贴近晶界平面生长。另一方面,WS则从晶界位错向β晶内生长,而其体积分数和空间分布依赖于晶界参数。一般地,α析出相的形貌和变体选择过程由多因素共同控制,这些因素包括i)α晶核和晶界位错网络的弹性相互作用能(包括其大小和分布);ii)α析出相的惯习面和晶界位错/晶界平面的相对位向和iii)晶界错配角度。不同因素对α析出相变体选择的影响机制各不相同,这些因素既可以相互促进也可以相互竞争。且在析出的不同阶段(形核阶段/生长阶段),变体选择的主控因素也不同。(3)本文研究了不同α变体之间的弹性相互作用,并探索了其对形成由多变体组成的α簇的内在影响。微弹性理论计算结果显示,初生α片层的应力场呈现较强的各向异性。当初生α片层作为相变初始微观结构时,后续相变过程中次生α相将在初生α片层附近析出,并呈现一定程度的变体选择现象。在本文模拟结果中,仅有特定位向的α变体才能被初生α片层选择,并在不同的位置析出,且初生α片层和由其诱发的次生α变体之间的α/α相对位向类型与实验观察结果十分吻合。这些α/α相对位向类型的形成源于初生/次生α相之间的弹性相互作用和次生/次生α相之间的竞争作用。α变体之间的相互诱发作用,即“α-α自促进作用”,也是相变过程中产生变体选择现象的原因之一。本论文针对钛合金中晶体缺陷附近α相析出行为的深入研究,为钛合金典型微观组织的形成提供了理论支持和预测,也为其他合金体系中相关问题的探索提供了研究框架和新思路。