流變應力

材料在一定變形温度、應變和應變速率下的屈服極限稱為其流變應力。熱變形流變應力是材料在高温下的塑性指標之一，在合金化學成分和內部結構一定的情況下，主要受變形温度、變形程度和應變速率的影響，是變形過程中金屬內部顯微組織演變和性能變化的綜合反映。流變應力的另一定義是由實驗得來的，它取材料的屈服強度與抗拉強度的平均值的1.15倍，即

。

流變應力研究內容是各種材料的蠕變和應力鬆弛的現象、屈服值以及材料的流變模型和本構方程。材料的流變性能主要表現在蠕變和應力鬆弛兩個方面。蠕變是指材料在恆定載荷作用下，變形隨時間而增大的過程。蠕變是由材料的分子和原子結構的重新調整引起的，這一過程可用延滯時間來表徵。當卸去載荷時，材料的變形部分地回覆或完全地回覆到起始狀態，這就是結構重新調整的另一現象。材料在恆定應變下，應力隨着時間的變化而減小至某個有限值，這一過程稱為應力鬆弛。這是材料的結構重新調整的另一種現象。蠕變和應力鬆弛是物質內部結構變化的外部顯現。這種可觀測的物理性質取決於材料分子（或原子）結構的統計特性。因此在一定應力範圍內，單個分子（或原子）的位置雖會有改變，但材料結構的統計特徵卻可能不會變化。

當作用在材料上的剪應力小於某一數值時，材料僅產生彈性形變；而當剪應力大於該數值時，材料將產生部分或完全永久變形。則此數值就是這種材料的屈服值。屈服值標誌着材料由完全彈性進入具有流動現象的界限值，所以又稱彈性極限、屈服極限或流動極限。同一材料可能會存在幾種不同的屈服值，比如蠕變

屈服極限、斷裂極限等。在對材料的研究中一般都是先研究材料的各種屈服值。在不同物理條件下（如温度、壓力、濕度、輻射、電磁場等），以應力、應變和時間的物理變量來定量描述材料的狀態的方程，叫作流變狀態方程或本構方程。材料的流變特性一般可用兩種方法來模擬，即力學模型和物理模型。

在簡單加載的情況（單軸壓縮或拉伸，單剪或純剪）下，應力應變特性可用力學流變模型描述。在評價蠕變或應力鬆弛試驗結果時，利用力學流變模型有助於瞭解材料的流變性能。這種模型已用了幾十年，它們比較簡單，可用來預測在任意應力歷史和温度變化下的材料變形。

流變力學模型沒有考慮材料的內部物理特性，如分子運動、位錯運動、裂紋擴張等。當前對材料質量的要求越來越高，如高強度超韌性的金屬、高強度耐高温的陶瓷、高強度聚合物等。對它們的研究就必須考慮材料的內部物理特性，因此發展了高温蠕變理論。這個理論通過考慮了固體晶體內部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對材料流變性能的影響，表達出材料內部結構的物理常數，亦即材料的物理流變模型。

流變學是力學的一個新分支，它主要研究物理材料在應力、應變、温度濕度、輻射等條件下與時間因素有關的變形和流動的規律。

張悉妮發明的“SEE技術及其行業應用和衍生產品技術”就是一個應用“電子流變”理論成功開發出“實用技術”和“照明產品”、“綠色照明新光源——聰明燈”的實際例子。因此，流變論及其流變學和流變技術，在物理應用的深度和廣度上將越來越發揮出重大作用。

下圖1表示快速凝固EXRS 66擠壓合金棒材在壓縮變形過程中，不同温度下峯值流變應力隨應變速率的變化曲線。由圖中可見，在變形温度一定時，隨着應變速率的提高，峯值應力逐漸增大。可以發現在不同的温度下，雖然峯值應力隨應變速率提高的規律相同，但是峯值應力的變化幅度卻有很大的不同。在温度較低的條件下峯值應力變化的幅度較小，當温度升至175℃時，其變化幅度較大。這也説明材料在不同的温度下其內部的塑性變形機理的不同。作者認為在壓縮温度150~175℃之間，材料塑性變形機制出現了轉折點。在壓縮温度低於150℃時，材料趨向於受常規塑性變形機制控制。而當壓縮温度高於150℃的某一温度時，材料則更趨向於高温塑性變形機制。

鎂合金的塑性變形機理比較複雜，但都需要一定的時間來進行，如晶體位錯的運動、滑移面由不利位向向有利位向的轉動、晶問滑移和擴散蠕變等。如果應變速率大，則塑性變形不能在變形體內充分的擴展和完成。而彈性變形僅是原子離開其平衡位置，也就是增大或減小其原子間距。因此，原子間距擴展的速度很大，而彈性變形量越大，應力就越大，也即意味着材料內的真實應力增大。正由於這樣的原因，材料的壓縮屈服強度隨着應變速率的上升而提高。鎂合金在低温下塑性變形主要是由位錯運動導致的基面滑移決定的，隨着應變速率的增大，位錯運動速度增加，引起真應力σ_T升高，位錯快速增殖。而隨着變形量的增加，位錯密度不斷增大，高的應變速率對應的是瞬間位錯密度強化，與之對應也就產生比較高的流變應力。 ^[2] 

變形温度對金屬塑性變形流變應力有重大影響。可得在相同的應變速率下，熱壓縮變形時流變應力隨變形温度增加而下降。一般情況下，隨着變形温度的提高，金屬和合金的各種強度指標均會有所下降。這是因為隨着變形温度的升高，原子活動的動能增加，依賴於原子間相互作用的臨界剪切應力減弱，同時各種點缺陷的擴散也加快，依賴於擴散的位錯開動易於進行。另外，温度的升高使熱激活能的作用增強，位錯運動依靠的有效應力減小致使流變應力降低。而且，變形温度的升高將使動態回覆和動態再結晶這些軟化作用更容易發生，從而減輕或消除由於塑性變形而產生的加工硬化。 ^[2] 

在所有的計算中，必須認為過程中足以維持塑性變形的應力σ_f比温度、應變和應變速率更重要。我們的興趣不只是引發而且也在保持塑性流動，這點沒有

引起足夠的重視。因而，在許多手冊中找到的屈服強度少有應用；橫過真實應力-真實應變曲線的流變應力在由原材料確定的應變極限和終端應變之間。

①在冷加工時，可以假定冪律公式有效。無論何時都要使用可利用的K和n值（部分數據可以查下表）。

②對熱加工，可用適當的C和m值由冪函數公式計算流變應力。如果對個別的應變這些值不能利用，那麼人們必須假定在整個變形中流變應力保持不變。如果沒有可利用的c和m數據，則人們不得不做壓縮試驗，在常規的慢的拉伸試驗中確定的熱強度數值是不能採用的，因為它們常只代表在變形過程中得到的在高得多的應變速率下（典型地1~1000s^-1）佔優勢的流變應力的一小部分。由低應變速率推斷高應變速率是危險的，因為m值也隨應變速率變化。 ^[3]  如圖2所示。