[科普中国]-流变应力

位错在晶体中的分布和密度与晶体的历史有关，在一个未加工晶体中可动位错将排列成一种在力学上为稳定的组态，从该组态到另一低能量组态，其间至少必需跨越一个能量为极大的组态，因此位错只有受到外加应力作用时才能运动。所谓流变应力就是指为使位错持续地通过晶体所需的最小应力。1

简介含义

材料在一定变形温度、应变和应变速率下的屈服极限称为其流变应力。热变形流变应力是材料在高温下的塑性指标之一，在合金化学成分和内部结构一定的情况下，主要受变形温度、变形程度和应变速率的影响，是变形过程中金属内部显微组织演变和性能变化的综合反映。流变应力的另一定义是由实验得来的，它取材料的屈服强度与抗拉强度的平均值的1.15倍，即。

研究内容流变应力研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。材料的流变性能主要表现在蠕变和应力松弛两个方面。蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。这是材料的结构重新调整的另一种现象。蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。这种可观测的物理性质取决于材料分子（或原子）结构的统计特性。因此在一定应力范围内，单个分子（或原子）的位置虽会有改变，但材料结构的统计特征却可能不会变化。

当作用在材料上的剪应力小于某一数值时，材料仅产生弹性形变；而当剪应力大于该数值时，材料将产生部分或完全永久变形。则此数值就是这种材料的屈服值。屈服值标志着材料由完全弹性进入具有流动现象的界限值，所以又称弹性极限、屈服极限或流动极限。同一材料可能会存在几种不同的屈服值，比如蠕变

模拟屈服极限、断裂极限等。在对材料的研究中一般都是先研究材料的各种屈服值。在不同物理条件下（如温度、压力、湿度、辐射、电磁场等），以应力、应变和时间的物理变量来定量描述材料的状态的方程，叫作流变状态方程或本构方程。材料的流变特性一般可用两种方法来模拟，即力学模型和物理模型。

在简单加载的情况（单轴压缩或拉伸，单剪或纯剪）下，应力应变特性可用力学流变模型描述。在评价蠕变或应力松弛试验结果时，利用力学流变模型有助于了解材料的流变性能。这种模型已用了几十年，它们比较简单，可用来预测在任意应力历史和温度变化下的材料变形。

流变力学模型没有考虑材料的内部物理特性，如分子运动、位错运动、裂纹扩张等。当前对材料质量的要求越来越高，如高强度超韧性的金属、高强度耐高温的陶瓷、高强度聚合物等。对它们的研究就必须考虑材料的内部物理特性，因此发展了高温蠕变理论。这个理论通过考虑了固体晶体内部和晶粒颗粒边界存在的缺陷对材料流变性能的影响，表达出材料内部结构的物理常数，亦即材料的物理流变模型。

流变学流变学是力学的一个新分支，它主要研究物理材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。

张悉妮发明的“SEE技术及其行业应用和衍生产品技术”就是一个应用“电子流变”理论成功开发出“实用技术”和“照明产品”、“绿色照明新光源——聪明灯”的实际例子。因此，流变论及其流变学和流变技术，在物理应用的深度和广度上将越来越发挥出重大作用。

变形工艺参数对流变应力的影响应变速率对流变应力的影响下图表示快速凝固EXRS 66挤压合金棒材在压缩变形过程中，不同温度下峰值流变应力随应变速率的变化曲线。由图中可见，在变形温度一定时，随着应变速率的提高，峰值应力逐渐增大。可以发现在不同的温度下，虽然峰值应力随应变速率提高的规律相同，但是峰值应力的变化幅度却有很大的不同。在温度较低的条件下峰值应力变化的幅度较小，当温度升至175℃时，其变化幅度较大。这也说明材料在不同的温度下其内部的塑性变形机理的不同。作者认为在压缩温度150~175℃之间，材料塑性变形机制出现了转折点。在压缩温度低于150℃时，材料趋向于受常规塑性变形机制控制。而当压缩温度高于150℃的某一温度时，材料则更趋向于高温塑性变形机制。

镁合金的塑性变形机理比较复杂，但都需要一定的时间来进行，如晶体位错的运动、滑移面由不利位向向有利位向的转动、晶问滑移和扩散蠕变等。如果应变速率大，则塑性变形不能在变形体内充分的扩展和完成。而弹性变形仅是原子离开其平衡位置，也就是增大或减小其原子间距。因此，原子间距扩展的速度很大，而弹性变形量越大，应力就越大，也即意味着材料内的真实应力增大。正由于这样的原因，材料的压缩屈服强度随着应变速率的上升而提高。镁合金在低温下塑性变形主要是由位错运动导致的基面滑移决定的，随着应变速率的增大，位错运动速度增加，引起真应力σT升高，位错快速增殖。而随着变形量的增加，位错密度不断增大，高的应变速率对应的是瞬间位错密度强化，与之对应也就产生比较高的流变应力。2

温度对流变应力的影响变形温度对金属塑性变形流变应力有重大影响。可得在相同的应变速率下，热压缩变形时流变应力随变形温度增加而下降。一般情况下，随着变形温度的提高，金属和合金的各种强度指标均会有所下降。这是因为随着变形温度的升高，原子活动的动能增加，依赖于原子间相互作用的临界剪切应力减弱，同时各种点缺陷的扩散也加快，依赖于扩散的位错开动易于进行。另外，温度的升高使热激活能的作用增强，位错运动依靠的有效应力减小致使流变应力降低。而且，变形温度的升高将使动态回复和动态再结晶这些软化作用更容易发生，从而减轻或消除由于塑性变形而产生的加工硬化。2

相关的流变应力在所有的计算中，必须认为过程中足以维持塑性变形的应力σf比温度、应变和应变速率更重要。我们的兴趣不只是引发而且也在保持塑性流动，这点没有

引起足够的重视。因而，在许多手册中找到的屈服强度少有应用；横过真实应力-真实应变曲线的流变应力在由原材料确定的应变极限和终端应变之间。

①在冷加工时，可以假定幂律公式有效。无论何时都要使用可利用的K和n值（部分数据可以查下表）。

②对热加工，可用适当的C和m值由幂函数公式计算流变应力。如果对个别的应变这些值不能利用，那么人们必须假定在整个变形中流变应力保持不变。如果没有可利用的c和m数据，则人们不得不做压缩试验，在常规的慢的拉伸试验中确定的热强度数值是不能采用的，因为它们常只代表在变形过程中得到的在高得多的应变速率下（典型地1~1000s-1）占优势的流变应力的一小部分。由低应变速率推断高应变速率是危险的，因为m值也随应变速率变化。3

本词条内容贡献者为:

胡建平 - 副教授 - 西北工业大学