Se han investigado experimental y numéricamente los efectos de la temperatura y los niveles de pre-deformación en el comportamiento de relajación de tensión y las correspondientes evoluciones microestructurales de las aleaciones Ti-6Al-4V en este estudio. Se han realizado una serie de pruebas (relajación de tensión (SR) y relajación de tensión repetida (RSR)) y observaciones microestructurales (microscopio electrónico de barrido), basándose en las cuales se calculan las variables relacionadas con la deformación, es decir, el componente de tensión y la energía de activación, como función del tiempo de prueba, de acuerdo con las teorías clásicas de activación térmica. El comportamiento experimental de SR y las variables térmicas obtenidas muestran que a temperaturas más bajas (700 grados C y 750 grados C), un gran número de dislocaciones introducidas por la carga plástica mejoran el deslizamiento/trepado de dislocaciones, lo que da lugar a una relajación rápida en comparación con aquellas condiciones de carga elástica a la misma temperatura. A temperaturas más altas (800 grados C y 850 grados C), se ha observado un fenómeno de SR similar tanto en condiciones de carga elástica como plástica, lo que se debe a la severa interacción entre el trepado por difusión y el trepado de dislocaciones después de la etapa de carga. Con base en estos resultados, se ha propuesto una ecuación constitutiva unificada para predecir con éxito el comportamiento de todo el proceso de relajación de tensión compuesto por la etapa de carga y la posterior etapa de SR. El modelo que considera la evolución continua de variables internas, como la densidad de dislocaciones y el ancho lamelar, en dos etapas puede predecir la respuesta de tensión y la variación de microestructura con diferentes temperaturas, desde la carga elástica hasta la plástica, y proporcionar una base para optimizar eficazmente el proceso de conformado en caliente combinando la pre-deformación y la relajación de tensión.