流变学是研究物质流动和变形的科学，也是研究在力、温度和时间等外在因素的作用下，物体所发生的流动、变形和性能等内在因素联系的一门科学。其研究材料既包括流体，也包括固体。流变学与材料加工原理结合在一起，对材料加工模具设计、工艺条件的选择、设备选用或设计无疑具有重要指导意义。

自然界中，地球是不断在变化的，而这种运动的结果要经过千万年的时间才能够明显观察到，虽然时间漫长但却表现出了流动性；液态水在极短时间内施加力的作用下，可以表现出固体的弹性性质。这两个现象表明，物质本身同时具有液态流动和固态变形的本性，是由材料固有的弹性、黏性和塑性等内在因素决定，通过力作用的时间不同，而发生相对转化。这种流动、变形特征的时间维度效应与力、变形之间的关系，则是流变学所要研究的问题。

所有流变现象归根结底都是力学现象，在传统的弹性力学中，变形关系取决于某一时刻作用的力，与这一时刻前的加载历程无关，所以物体变形规律中不包含作为独立变数的时间。牛顿流体力学的基本假设是剪切应力与剪切速率呈现线性关系。随着人类生产实践范围的扩大，逐渐发现当材料的载荷增大时，其变形逐渐取决于加载速度，应力愈是接近材料的屈服点，时间因素的作用就愈大。这说明，物体的应力、应变与时间之间不是简单的函数关系。而流变学是根据应力、应变和时间来研究物质流动和变形的构成与发展规律的科学，其任务是用描述真实材料特性的模型，来把物体、构形、力系三者联系起来（需要包括温度、熵、自由能等量）。建立包括时间因素的本构方程，以描述材料在各种复杂外界条件下的流动和变形特性。

1流变学发展概况

流变力学形成独立科学是在1929年，在这一年，美国首先成立了流变学学会。1950年以后，多个国家先后成立了流变学学会。

我国流变学研究起步很晚，在20世纪60年代才开始研究。随着我国材料科学和工程技术的不断发展，遇到了许多非牛顿流体，从而促使了对它的研究。1985年我国成立了流变学专业委员会，1988年成为国际流变学会员之一。

由于非牛顿流体的流变特性十分明显，如韦森堡效应、射流胀大现象、二次流、无管虹吸、剪切变稀或剪切变稠等特性。因此，研究工作主要集中在塑料、石油等行业。1965年Kel vin最早发现金属锌具有黏性性质，其内部抗力与变形速度不成比例，遂逐步开始有学者研究金属材料流变学特性。

2金属液态成型过程流变学

2.1铸造加工流变学

在铸造生产过程中，很多工艺过程都与物体的流动、变形有关，故有很多问题与流变学的研究内容有密切联系。在造砂型时，砂的紧实过程，其中砂粒的表面性能，沙粒的大小，加压的速度和压力大小等都会对沙粒的流动变形特性产生影响。除此之外，铸造用合金在浇铸过程及随后的凝固冷却过程，都伴随着多种流动、变形现象。

铸造合金在进入铸型以后，随着自身温度的下降，由液态转变为固态、固液态、全固态过程。铸造生产中常见的流变模型有开尔文体、麦克斯韦体、宾汉体和普朗特体等。不同铸造过程选用不同的流变模型如：铸造中常用的黏土团就具有开尔文体的黏弹性；高温的固态金属、聚合物的熔体，在焙烧中内部出现的玻璃相的熔模型壳，均具有麦克斯韦流变性能。因此，流变学就是按照金属的实际流动变形性能，把黏性、弹性和塑性结合起来研究物体的流动变形性能。

2.2固液混合态金属流变学

固液态金属是固态金属颗粒混合在液态金属中，在这种状态下的固液混合金属具有在剪切应力下“剪切变稀”的特点，显现出“触变”特性。根据这一特点可以在相对较低的温度下和相对较低的流动应力下，精确成形复杂制件。这一过程离不开流变学的指导，这一成果系统化、理论化即半固态流变学。许多实验证明，半固态金属液体属于非牛顿流体，在非牛顿液体中悬浮各种粒子的两相悬浮系，它不同于牛顿流体主要是由于各向异性的颗粒取向发生变化，一定条件下，颗粒从壁开始移动。半固态金属液体的稳态黏度系数不再是常数，随着固相体积分数的增加而增加，而是随着剪切速率增加而减小。影响半固态金属流变特性的主要因素有：固相体积分数、剪切速率、合金成分、流变制度等，因此，应用固液态金属的特点，以及影响半固态金属流变成形主要因素，逐步形成了半固态金属末端成形、半固态金属压铸成形以及半固态金属注射成形等工艺。目前，对于半固态金属流变学研究相对较多，对枝晶固液态流变学研究较少。

2.3金属材料3D打印过程中的流变行为

金属材料3D打印技术是3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。金属材料3D打印技术难点主要是金属的熔点相对较高，在成形过程中发生固液态的转变，而且热传导、热膨胀的复杂性，使粉末熔化区、凝固过渡区和热影响区产生极不均匀的温度场，从而导致热应力的产生，使熔池中的固液分离加速易形成凝固裂纹。同时，对于金属而言在冷却过程中还会发生固态相变，产生组织应力。这些应力的表现形式、分布规律在很大程度上取决于材料的流动与变形行为，而流变行为取决于外界所施加的载荷（包括温度载荷）和约束状况。

目前，关于温度场及相变规律的研究已经趋向成熟，但材料的本构关系研究却进展很慢，一般还是采用传统的弹塑性力学中的虎克定律、米赛斯屈服准则等，无法反映材料在高温下既有液体流动、固体变形又有液―固相变和固―固相变的特性。由于目前还未见到比较合理的金属材料激光快速成型过程中的本构模型，因此，影响了激光成型过程中的流动、变形与应力计算的准确性，不能合理地阐明熔覆层裂纹产生和开裂机理。但流变学理论可以将整个成形过程视为一个整体，从而建立一个统一的本构模型，即：该本构模型可以客观地阐明液相区的金属流动、两相区的凝固和固相区的变形与应力行为，并能够兼顾考虑凝固（液态相变）和组织演变（固态相变）引起的能量传输现象；再将粉末熔化区的液相、两相凝固区、固相热影响区视为一体，建立整体区域的数学模型，从而揭示残余应力的变化形式和演化规律、裂纹萌生与开裂机理。因此，流变学理论必将推进金属材料在3D打印领域的应用与推广。

3金属固态成型过程流变学

3.1塑性加工流变学

在金属材料成型过程中，人们不断发现，当载荷逐渐增大时，固体材料变形逐渐取决于加载速度；应力愈接近材料屈服点，时间因素的作用愈大。物体的应力、应变与时间之间不是简单的函数关系，因而流变系数一般是应力与应变的不变量及其时间导数的函数。当物体所受载荷较小时，变形处于弹性状态。一旦全截面均发生屈服，进入塑性状态，无限制的塑性流动便成为可能。在塑性阶段，应变状态不但与应力状态有关，而且依赖于整个应力历史，即与时间有关，流变学认为，整个过程具有“记忆”，从而也就不一定要求几何变形线性化，即不一定限制物体的变形属于较小变形。

在大多数情况下，塑性加工是一个时间极短的过程，时间因素往往并不突出，而被人们所忽视。随着超塑性、等温锻造、蠕变等流动过程研究的不断深入，时间因素就凸显出来。实际上任何一个成形工艺都是一个过程，过程就有时间因素。研究此刻与前一刻状态上的差异，即物质流动的结果。如果时间是流动的函数，那么变形应该是时间的函数。一般情况下，人们对流动的关心主要集中在外摩擦对塑性、变形抗力的影响上。因此，从流动的观点来研究塑性变形过程，建立一个系统的塑性加工流变学，来分析塑性加工的各种成形过程，特别是时间因素较为突出的过程就显得更为重要。

3.2TRIP钢变形过程的流变学

TRIP钢即：相变诱导塑性钢，是通过相变诱导塑性效应而使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核，引入相变强化和塑性增长机制，提高钢板的强度和韧性。TRIP钢具有多相组织，既有软相铁素体，也有硬相贝氏体，还有亚稳定的残余奥氏体，在变形过程中能逐步转化成马氏体。

因此，TRIP钢的本构关系既有双相钢的软相及硬相特点，又有残余奥氏体向马氏体转变而发生的体积膨胀、诱发塑性行为。另外，TRIP钢的加工硬化率、应变硬化指数随着残余奥氏体的体积分数和马氏体的体积分数变化而变化，而马氏体的体积分数还受马氏体相变速度的影响，传统的加工硬化方程无法正确描述TRIP钢的加工硬化现象。TRIP钢在成形过程中的本构关系与温度、应变增量有关，即：残余奥氏体向马氏体转变而诱发塑性行为，而残余奥氏体向马氏体转变是由相变点Md的温度决定的，应变增量是应变对时间的变化率。TRIP钢在塑性变形过程中，本构关系就是与温度、时间和应力状态有关，这样的本构关系与流变学特性相符合。在流变学本构模型中，可以用两个弹性体元件的并联及一个塑性体元件的串联，并通过各个元件参数的变化来描述。而TRIP钢的相变诱发塑性，不仅体现出了弹性、塑性，而且还具有一定的黏性行为。TRIP钢板在模具中的塑性变形过程，是在预知应变或应变速率的情况下，求解流变应力的变化，这与流变学本构模型中的应力松弛模型相近。

回弹行为是加工过程中，由于变形或金属流动的不均匀性而形成的残余应力，在卸载后释放所产生的变形，而伴随着马氏体相变的TRIP钢回弹则表现的是一种金属的滞弹性行为特性，可用流变学模型中的开尔文模型来描述，其特性与流变学本构模型中蠕变特性相符。

3.3热成形钢过程流变学

随着汽车产业的快速发展，汽车行业提出了安全、环保、节能的新目标，高强度钢的出现使这一要求得以满足。高强度钢热成形技术是近年来出现的一项结合传统热锻造技术与冷冲压工艺的新技术，使用高强度钢制造汽车结构件，不仅满足汽车的安全碰撞性能，而且大大减轻了车体重量，实现节能减排。高强度钢热成形技术具有广阔的市场前景，因此而备受关注。但热成形过程中的工艺参数对板坯热成形后的性能有很大的影响，而工艺参数的制定取决于金属在高温下的变形规律，金属的变形与载荷持续时间、应力、温度以及加载速率等因素有关。温度对金属材料的黏性影响较其他因素更为明显，对黏性的影响在金属成形中最终体现在金属流动与变形中。一般来说，随着温度的提高，强度降

低而塑性提高，然而，在一定的温度范围内也可能发生沉淀作用、应变时效或再结晶等组织变化。当温度升高时，热激活过程可以促进流动并降低强度，在高温条件下并长期受力的作用，会发生组织变化，导致与时间有关的流变现象。

热成形是指金属在再结晶温度以上完成成形的工艺，因此在成形过程中，可以得到大应变而不产生应变硬化，但在热成形过程中，金属的流变过程更加复杂。高温下的黏性体在条件允许有无限大的残余变形，而没有完整破坏的任何标志，达到一定的速度后，黏性体或转变为弹性体或者转变成脆性体。根据高温下的金属流变特征，热成形的流变学本构模型可表示为普朗特流动模型，由一个弹性元件和一个摩擦件构成及一个弹性体和一个塑性体串联而成，为弹塑性体。当进行一定塑性变形后，撤去应力，塑性变形不能消失，而串联的体变形是可逆的。

热成形所涉及的加工方法，均有确定的流变模型，并能产生蠕变。温成形是指在低于热成形，高于冷成型的温度下进行金属成形，即成形温度低于金属再结晶温度，金属加工过程中还存在加工硬化现象。因此，金属在温成形时，其材料同时具有弹性、黏性和塑性的特征，本构模型可用具有加工硬化作用的弹―黏―塑性的复合流变学模型来表示。

4结语

金属的成形过程就是在外力（外因）作用下材料（内因）产生变形的过程，构成金属成型过程中的内因与外因的纽带则是材料的本构方程。多年以来，在应力空间、应变空间以及屈服准则的基础上，人们对材料的塑性本构关系描述作了许多有益的探索，发展了塑性力学的基本定理和求解方法，形成了经典的弹塑性强度理论。但这种塑性本构方程主要关注的是材料在静力作用下的力学特点，并没有考虑材料的应变速率效应和应变历史过程。而流变学一般是应力与应变的不变量及时间导数的函数，如果说非牛顿流体力学是根据已知的本构方程研究其流动规律，那么流变学则是研究物质的应力与应变的速率及其他流动量与时间的关系，从而建立本构方程或流变状态方程，是一种统一场理论。

综上所述，基于流变学理论所构建的具有弹、黏、塑性特征的本构方程，描述金属成形过程的流动与变形更加准确。流变学与材料加工原理结合在一起，对材料加工模具设计、工艺条件的选择、设备选用或设计无疑具有指导意义。

（孙蓟泉）