近幾十年來，由于Ti-6Al-4V（TC4）合金具有較高的比強度和優異的幾何精度，在航空航天和國防工業中得到了廣泛應用[[1], [2], [3], [4]]。然而，增材制造過程中的特殊熱歷史對TC4合金的結晶產生了顯著影響，導致其微觀結構在相組成、晶粒尺寸、晶粒形狀以及α/β界面等方面與標準制造工藝產生的微觀結構大相徑庭[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。此外，當前增材制造技術的局限性阻礙了完全致密零件的制造，導致TC4合金中存在孔洞缺陷[[16], [17], [18]]。
這些微觀結構的變化使得增材制造的TC4合金的機械性能與傳統制造方法制備的合金存在顯著差異[19]。具體而言，在失效前觀察到由于變形不穩定性導致的顯著宏觀應變軟化[20]，這影響了其實際應用。普遍認為，TC4合金失效的主要機制是局部剪切不穩定性以及剪切局部化[6,[21], [22], [23], [24]]。因此，闡明TC4合金中剪切局部化的起源具有重要的實際意義，這是理解其完整變形和失效過程的關鍵步驟。
多項研究強調了不連續孔洞在TC4合金局部變形中的關鍵作用[[25], [26], [27], [28], [29], [30]]。例如，對斷裂表面的觀察經常發現局部裂紋內部存在聚集的孔洞[[31], [32], [33]]。較高的孔隙率和不規則的孔洞形態會放大孔洞周圍的應力場擾動，從而降低合金的整體機械性能。同時，越來越多的研究表明，異質微觀結構（包括高初始位錯密度、退火孿晶、亞穩態晶粒和相不均勻性）也會深刻影響局部變形和失效[6,[34], [35], [36], [37], [38], [39]]。值得注意的是，高初始位錯密度容易促進位錯線的形成、交匯和壁的形成，這些因素可能主導變形過程[40]。因此，最近的研究認為，異質微觀結構與孔洞缺陷的結合決定了TC4合金的機械響應[41,42]。但是，仍有一些重要問題尚未解答：孔洞缺陷和多樣化的微觀結構對局部變形的進展有何總體影響？此外，剪切局部化在變形過程中是如何演變的？
有趣的是，大多數研究主要關注孔洞缺陷和異質微觀結構作為影響TC4合金塑性行為的局部應力源。然而，由于微觀結構的極端多樣性，位錯運動（負責塑性變形）會經歷一系列復雜的熱力學狀態，這最終影響TC4合金的應變硬化、位錯結構發展以及變形能量的分配[44,45]。此外，隨著位錯介導的塑性變形的增加，異質微觀結構的熱力學狀態也會相應演變，進一步復雜化了合金的行為。最后，變形機制與異質微觀結構的熱力學狀態之間的耦合在TC4合金的剪切局部化中起著關鍵作用[46,47]。從Boyce等人的觀點來看[48,49]，從熱力學的角度測量位錯介導的塑性特性對于理解基于延性的材料損傷至關重要。非平衡統計熱力學為研究異質微觀結構中的能量和熱力學狀態提供了框架。通過考慮非平衡微觀結構與局部變形的耦合，可以洞察準靜態條件下TC4合金的剪切局部化演變過程。
作為一種補充方法，建模在闡明先進材料的復雜變形機制中起著關鍵作用。許多研究有效地運用了各種建模技術來研究環境溫度、孔隙率、非平衡異質相、晶體取向和尺寸以及紋理對TC4合金變形的影響[7,[50], [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57]]，顯著推進了對其變形機制的理解。例如，Tao等人[58]、Niu等人[59]、Maurya等人[60]和Bambach等人[61]為不同條件下的SLM制造的鈦合金開發了多種屈服函數，并將其納入現象學本構模型中，以描述材料在多軸載荷路徑下的變形。在更微觀的尺度上，Kapoor等人[62]提出了一個非局部晶體塑性模型，該模型結合了α+β雙相結構，將幾何必需位錯的演變與背應力效應聯系起來，以探討殘余應力的作用。Azhari等人[63]開發了一個基于位錯的有限應變本構模型，并結合損傷效應，與晶體塑性有限元模擬一起用于研究單調拉伸響應和斷裂。此外，Pinz等人[50]提出了一個基于晶體塑性的框架，明確考慮了孔隙率的演變，展示了其捕捉孔隙生長和晶體取向對宏觀性能影響的能力。總的來說，這些建模工作建立了工藝誘導的微觀特征與TC4合金宏觀機械響應之間的寶貴聯系。然而，傳統的基于位錯的塑性理論主要關注晶體缺陷的內在熱力學和動態特性，建立了與應力、溫度和應變率等外部因素的定量關系。然而，這些理論忽略了結構無序（或異質性）對微觀變形機制（如位錯演變）的貢獻。因此，基于平衡熱力學的本構模型未能完全解釋TC4合金中位錯運動和相互作用的熱力學過程。這需要進一步的建模來從非平衡熱力學的角度理解TC4合金中剪切局部化的起源。最近，為了解決現有基于位錯的模型在應變硬化方面的局限性，Langer等人[64]提出了一種新的多晶塑性理論，該理論考慮了能量與位錯運動中熵流之間的關系。這一理論后來由Langer[65]、Le[66,67]和Lieou等人[68], [69], [70]進一步完善。它可以合理地考慮合金中的非平衡微觀結構特性，為開發TC4合金的本構模型提供了合適的框架。
在本文中，我們通過實驗和建模方法研究了TC4合金中剪切局部化的演變過程。首先，對TC4合金的單軸拉伸機械特性進行了測試。然后，使用微計算機斷層掃描（μCT）確定了拉伸變形前的孔隙率。此外，還利用場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）觀察了打印合金的斷裂表面特征并分析了失效模式。隨后，在一個新的非平衡連續介質熱力學框架內提出了一個多晶塑性本構模型，以解釋異質微觀結構熱力學狀態演變對位錯介導的變形的影響。此外，該模型還考慮了累積塑性變形引起的損傷機制。最終，為TC4合金建立了一個軸對稱有限元模型，并使用所提出的本構模型對代表性體積元素（RVE）內的基體變形進行了數值模擬。預測結果證明了新模型在描述TC4合金變形方面的有效性。此外，觀察到異質結構和孔洞缺陷可以同時誘導多個局部損傷區的形成和演變，最終由于這些多個損傷區的相互滲透，在樣品內部形成了成熟的剪切帶。值得注意的是，與異質結構相關的硬化機制也抑制了剪切在樣品中的局部傳播。
