材料熱變形流變行為文獻(xiàn)綜述金屬在熱變形中的流變行為是非常復(fù)雜的現(xiàn)象，通常受到多種因素的綜合影響，而其又是反應(yīng)金屬熱加工性的重要表現(xiàn)之一。在實(shí)際的塑性加工過程中，流變行為不僅可以成為判斷金屬塑性加工能力的依據(jù)，還可以為加工過程中設(shè)備的選擇提供依據(jù)。除此之外流變應(yīng)力也是合金微觀組織演變的反映。因此，對(duì)于金屬熱變形流變行為的研究是具有十分重要的理論意義及工程價(jià)值的。本構(gòu)關(guān)系通常被用以描述金屬以及合金的塑性流動(dòng)性能，而這種形式可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行編碼，用模型去模擬在普遍加載條件下機(jī)械部分結(jié)構(gòu)的熔鍛反應(yīng)。同時(shí)，只有研究者能夠建立合適的本構(gòu)模型，才能夠使數(shù)值模擬得到的結(jié)論真實(shí)并且可靠。通過查閱資料可以知道熱模擬試驗(yàn)的一些特征：（1）在成型過程一開始的時(shí)候，由于會(huì)發(fā)生加工硬化，導(dǎo)致其真應(yīng)力會(huì)不斷地上升，并且很快地達(dá)到最大值；（2）當(dāng)應(yīng)變速率或者變形溫度這些單一變量發(fā)生變化的時(shí)候，流變應(yīng)力曲線也會(huì)隨其改變；（3）在加工的后期，材料的內(nèi)部硬化和軟化的共同作用幾乎保持穩(wěn)定，因此，此時(shí)的流變應(yīng)力也會(huì)在一定的數(shù)值范圍內(nèi)穩(wěn)定。一般來說，一個(gè)較為理想的本構(gòu)模型應(yīng)該能夠非常清楚地描述出金屬的各項(xiàng)性能。然而，在一個(gè)單一的本構(gòu)模型中，想要對(duì)這些性能都能有一個(gè)比較完整的描述是非常困難的。因此，人們通常會(huì)在提出一些塑性流變應(yīng)力模型的同時(shí)給出一些比較合理的假說。最近這些年來，隨著我們對(duì)于流變應(yīng)力研究的不斷深入，我們首先提出或者是不斷地改進(jìn)了非常多的本構(gòu)模型，而所有的這些本構(gòu)模型全部都顯示出降低溫度和增加應(yīng)變速率都將會(huì)提高金屬和合金塑性變形時(shí)的阻力，從而導(dǎo)致流變應(yīng)力的增加。當(dāng)作者首次提出原始的本構(gòu)模型并同時(shí)將其應(yīng)用于他們的研究材料時(shí)，總是會(huì)有一些局限性。所以，其他的研究人員會(huì)通過考慮金屬塑性成型過程當(dāng)中不同參數(shù)對(duì)流變應(yīng)力的特殊影響，繼續(xù)深入研究并且修正原始的本構(gòu)模型，以便于后續(xù)的研究中能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同的金屬或合金的流變行為，而這些被各種改正的本構(gòu)模型后續(xù)則不斷發(fā)展形成一些其他擴(kuò)展或修改的模型。1.1本構(gòu)模型接下來的部分主要展示了一些熱加工過程中關(guān)于金屬以及合金的本構(gòu)描述的評(píng)論。目前來說，較為常見的本構(gòu)模型，我們可以大致將它們分為三類，分別是現(xiàn)象觀察型的、基于物理基礎(chǔ)的和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型。（1）現(xiàn)象觀察型的本構(gòu)模型。現(xiàn)象觀察型的本構(gòu)模型其優(yōu)點(diǎn)是函數(shù)的形式較為簡單，并且由于在使用該模型時(shí)設(shè)計(jì)者會(huì)盡量減少所使用材料常數(shù)的數(shù)量，所以在后續(xù)工作中可以非常輕松地進(jìn)行校準(zhǔn)。但是，由于現(xiàn)象觀察型的本構(gòu)模型其本身就缺乏對(duì)金屬材料的變形行為其物理背景的研究，反而會(huì)更加重視金屬材料在其變形過程中的實(shí)驗(yàn)觀察，因此這種模型具有其一定的局限性。現(xiàn)象觀察型的本構(gòu)模型并不要求我們對(duì)于材料變形過程中涉及的物理現(xiàn)象來進(jìn)行詳細(xì)的理解，而且流變應(yīng)力與過程變量之間的本構(gòu)關(guān)系可以通過回歸分析來確定。到目前為止，所有已知的各種模型中，很多的模型都無法對(duì)流變應(yīng)力進(jìn)行比較合理的解釋，其中一個(gè)非常重要的原因就是流變應(yīng)力并不是受單一變量影響的，通常是由多個(gè)因素共同疊加的結(jié)果。因此，研究人員在現(xiàn)象觀察型的本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上提出了一些新的或修正了的模型，同時(shí)，我們?cè)谶@之后的本構(gòu)模型研究的過程中，應(yīng)當(dāng)更加重視加工的工藝參數(shù)對(duì)流變應(yīng)力的耦合作用。（2）基于物理基礎(chǔ)的本構(gòu)模型。金屬材料的熱變形機(jī)制在這個(gè)模型中被更多地考慮了。根據(jù)之前的各種研究我們可以發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際的金屬熱變形過程當(dāng)中，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化是不斷交替發(fā)生并且相互制衡的。而基于物理基礎(chǔ)的本構(gòu)模型與現(xiàn)象觀察型的本構(gòu)模型相比，前者則是更多地考慮到了塑性應(yīng)變、變形溫度、應(yīng)變速率等參數(shù)在變形過程中的耦合作用，因此，為了更為精確地描述金屬材料的熱變形行為，在該模型中會(huì)存在著比較多的材料參數(shù)，而這些參數(shù)的確定往往需要一些較為精密的儀器。因此，基于物理基礎(chǔ)的本構(gòu)模型對(duì)于那些沒有精密儀器的研究人員來說往往是非常困難的，所以此方法的應(yīng)用范圍并不是非常的廣泛。（3）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型（ANN）?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型（ANN）在之前我們所說的各種模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的修改，也就是需要對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行回歸分析。這個(gè)模型非常便捷，所以被越來越多地應(yīng)用于材料熱變形行為中的建模和預(yù)測(cè)工作當(dāng)中。然而由于各種原因，通過回歸的方法來預(yù)測(cè)的流變應(yīng)力這一方法，不是很適用?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型（ANN）這個(gè)方法的其中一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是我們?cè)谧铋_始的時(shí)候沒有必要去假定一種數(shù)學(xué)模型或定義其參數(shù)。然而，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)模型（ANN）的成功應(yīng)用在很大程度上依賴于廣泛的、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和特征變量的可使用性，并且在其建模過程中沒有提供物理信息。以上這些模型對(duì)于我們選擇合適的模型來預(yù)測(cè)金屬和合金在熱變形條件下的流動(dòng)行為具有重要的貢獻(xiàn)，也為我們提供了極具價(jià)值的參考。盡管我們一直想要去準(zhǔn)確地描述金屬或合金的流動(dòng)行為，但這是一項(xiàng)很困難的工作，所以建立金屬或合金的本構(gòu)關(guān)系具有十分重要的工程意義。因此，根據(jù)不同的條件，合理地去選擇一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大變形條件、能有清晰的物理解釋的本構(gòu)模型，仍是進(jìn)一步研究金屬流動(dòng)行為最好的選擇。通過查閱資料，目前來說，有以下三種方法可以建立金屬材料的本構(gòu)方程：（1）首先，我們可以選定某一種金屬的變形機(jī)制，在此之后我們可以再利用各種相關(guān)的參數(shù)來建立方程，建立的方程可以是應(yīng)力—應(yīng)變方程，也可以是應(yīng)力—應(yīng)變速率方程，但是這種方法的應(yīng)用并不廣泛；（2）我們可以通過使用標(biāo)量內(nèi)部參數(shù)的方法，以此來表示在塑性變形過程當(dāng)中，金屬材料內(nèi)部所產(chǎn)生的變形抗力，之后則可以得到常用的用來描述金屬大塑性變形的本構(gòu)方程，但這種方法的局限性在于它只能用于單向立方晶格材料，對(duì)于其他類型的材料是不適用的；（3）我們通過實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，來測(cè)量金屬材料在一定應(yīng)變速率和變形溫度范圍內(nèi)的流變應(yīng)力，之后再對(duì)所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，在這里可以使用統(tǒng)計(jì)回歸的方法來建立相關(guān)的本構(gòu)方程，這種建立的本構(gòu)關(guān)系的方法與之前的方法相比更具有通用性，應(yīng)用范圍更廣，因此在本文中我們采用此方法展開實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析工作。我們?cè)趯?duì)某種金屬材料展開本構(gòu)關(guān)系研究的過程當(dāng)中，首先要結(jié)合該材料具體的加工工藝，之后再選擇前人已經(jīng)架構(gòu)好的本構(gòu)模型來進(jìn)行合理的猜想和驗(yàn)證。研究人員選用的本構(gòu)模型應(yīng)該根據(jù)鋁鋰合金的參數(shù)特點(diǎn)，包含溫度軟化項(xiàng)，這樣就可以在計(jì)算模型的各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，避免出現(xiàn)某些難以計(jì)算的問題。目前已知的較為常用的關(guān)于流變應(yīng)力的模型主要有以下兩類：（1）實(shí)驗(yàn)人員選用高溫變形實(shí)驗(yàn)的方法，在獲得實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)之后，充分利用各種方法與手段，比如數(shù)理統(tǒng)計(jì)等，建立相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蚴前虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；?）也可以結(jié)合金屬材料在高溫變形過程中的物理機(jī)制，充分考慮整個(gè)變形過程中材料的組織演變，并且建立相應(yīng)的模型。1.2熱變形本構(gòu)方程的構(gòu)建在金屬熱變形流變行為的研究過程中，一般用公式(1-1)表示以流變應(yīng)力為基本參量，材料體系及變形條件對(duì)流變應(yīng)力的影響。式中σ為流變應(yīng)力；ε為應(yīng)變；T為變形溫度；?為應(yīng)變速率；C為與材料有關(guān)的常數(shù)。同時(shí)，因?yàn)樵趯?shí)際的變形過程中，常數(shù)C一般保持不變，所以公式(1-1)可簡化為公式(1-2)[23]：σ=f(ε,?,T,C)(1-1)σ=f(ε,?,T)(1-2)同時(shí)，有基于金屬蠕變和拉伸變形提出在高、低兩種不同應(yīng)力水平下流變應(yīng)力與應(yīng)變速率關(guān)系[24,25]，如公式（1-3）、（1-4）。其中，A1、A2、n1、β均是與溫度無關(guān)的常量：?=A?=A對(duì)于流變應(yīng)力與變形條件的關(guān)系早有研究，但在當(dāng)時(shí)并無明確的數(shù)學(xué)模型。直到1944年，Zener和Hollomon[26]提出了描述應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的簡單模型，并且首次給出了溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率因子的概念。在之后的十年里，科研工作者們開始將此概念與上述兩種關(guān)系聯(lián)系在一起并且建立了Zener-Hollomon參數(shù)(簡稱Z參數(shù))[27-30]：A(sin?ασ)n其中，A、α(≈β/n1)、QHW、R均為與材料有關(guān)的常數(shù)。Z參數(shù)中包含了變形溫度T和應(yīng)變速率?熱變形過程中兩個(gè)主要參數(shù)。根據(jù)此式，1966年，Sellars和Tegart[31]建立了雙曲正弦形式的Arrhrnius關(guān)系如式（1-6），其中包含了熱變形激活能QHW和溫度T，以此構(gòu)建本構(gòu)方程分析金屬熱變形流變行為。ε?=A[sin?(ασ)]n通過對(duì)上述公式變換可以獲得金屬在不同的變形條件下流變應(yīng)力的變化情況，并且可以通過對(duì)Z參數(shù)的研究，分析變形條件與組織演變及力學(xué)性能等關(guān)系，為預(yù)測(cè)組織與性能和熱加工工藝間的聯(lián)系建立了數(shù)學(xué)模型。1.3熱變形加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化眾所周知，在熱變形過程中金屬的內(nèi)部顯微組織是會(huì)隨變形條件的變化而發(fā)生變化的，而金屬熱變形時(shí)的宏觀流變行為是由于加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化(包括動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶)相互抵消。一般情況下，在金屬熱變形的過程中，低應(yīng)變量下金屬內(nèi)部的位錯(cuò)密度不斷增加從而出現(xiàn)加工硬化；而隨著金屬應(yīng)變量的不斷增加產(chǎn)生熱效應(yīng)或由于變形溫度的升高，金屬開始出現(xiàn)動(dòng)態(tài)軟化的現(xiàn)象，此時(shí)加工硬化與動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象同時(shí)存在并相互抵消。通常認(rèn)為當(dāng)金屬的層錯(cuò)能不同時(shí)，熱變形過程中出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)軟化現(xiàn)象的機(jī)理也有所不同。一般認(rèn)為，在熱變形過程中，高層錯(cuò)能的金屬(如鋁合金和鐵素體鋼等)主要發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)[32-34]，而低層錯(cuò)能金屬(如銅及銅合金和奧氏體鋼等)則主要發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[35-38]。金屬熱變形過程中同時(shí)存在加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化過程導(dǎo)致位錯(cuò)密度在變形過程中不斷變化，從而影響流變應(yīng)力的大小，導(dǎo)致流變曲線出現(xiàn)不同的變化。金屬熱變形典型的流變曲線根據(jù)峰值的有無分為兩大類，一類是無峰值流變曲線，包括加工硬化型和動(dòng)態(tài)回復(fù)型曲線；另一類是存在峰值應(yīng)力的流變曲線，以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶型曲線為主。主要表現(xiàn)為如圖1.2所示(圖中σc、σss、σp、εc和εp分別代表發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的臨界應(yīng)力、穩(wěn)態(tài)應(yīng)力、峰值應(yīng)力以及發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)的臨界應(yīng)變、峰值應(yīng)變)的四種流變曲線[39-41]。在金屬熱變形的過程中，如果不發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，流變應(yīng)力隨變形量增大而增大，曲線表現(xiàn)為加工硬化型；當(dāng)只發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)時(shí)，動(dòng)態(tài)回復(fù)的軟化效果與加工硬化效果相互抵消持平，此時(shí)曲線表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)回復(fù)型；當(dāng)金屬內(nèi)部的組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)，動(dòng)態(tài)軟化效果將強(qiáng)于加工硬化效果，曲線將會(huì)出現(xiàn)峰值，并且在較高的應(yīng)變速率下將出現(xiàn)單一峰值后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)流變，而在低應(yīng)變速率下由于交替進(jìn)行的硬化-軟化-硬化過程將使曲線呈現(xiàn)周期性的波浪狀變化。圖1.2金屬傳統(tǒng)熱變形典型流變曲線示意圖[39-41]雖然金屬的流變行為可以做為金屬熱變形過程中加工硬化及動(dòng)態(tài)軟化的簡單判斷依據(jù)，但是金屬在熱變形過程中微觀組織究竟發(fā)生了何種變化，依然需要通過直接觀察微觀組織來明確熱變形過程中金屬的組織演變過程以及機(jī)制。參考文獻(xiàn)[1]鄭子樵,張偉斌,崔祺.航空航天工業(yè)中的鋁鋰合金[J].材料科學(xué)與工程,1990,8(2):20?25.[2]WILLIAMSJC,STARKEJrEA.Progressinstructuralmaterialsforaerospacesystems[J].ActaMaterialia,2003,51:5775?5799.[3]LEQUEUP.Advancesinaerospacealuminum[J].AdvancedMaterandProcesses,2008(2):47?49.[4]YINDF，ZHENGZQ．MaterialsＲeview［J］，2003，17(2):18－20．[5]LAVERNIAEJ,GRANTNJ.Aluminium-lithiumalloys[J].JournalofMaterialsScience,1987,22(5):1521-1529.[6]YANGSJ，LUZ，SUB，etal．JournalofMaterialsEngineering［J］，2001(5):44－47[7]楊守杰,盧健,馮朝輝,etal.鋁鋰合金歷史回顧與在中國的研究發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2014(S2):430-435.[8]羅磊,劉玉林,劉翠紅.超低密度鋁鋰合金的研究現(xiàn)狀分析[J].熱加工工藝,2016(18):33-37.[9]RIOJARJ，GRAHAMＲH．AdvancedMaterialsandProcesses［J］，1992，141(6):23－26．[10]BRETZPE，SAWTELLRR．Aluminium－LithiumAlloys:Progress，ProductsandProperties［C］．London:InstituteofMetals，1986:47－56．[11]MEYERP，DUBOSTB．ProductionofAluminium－LithiumAlloyswithHighSpecificProperties［C］．London:InstituteofMetals，1986:37－46．[12]PEELCJ，EVANSB，McdarmaidD．CurrentStatusofUKLightweightLithiumContainingAluminiumAlloys［C］．London:InstituteofMetals，1986:449－454．[13]FRIDYANDERIN，SANDLERVS．MetalScienceandHeatTreatment［J］，1988，30(8):36－38．[14]李紅萍,葉凌英,鄧運(yùn)來,等.航空鋁鋰合金研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2016,35(11):856-862.[15]TheAluminumAssociation．InternationalAlloyDesignationsandChemicalCompositionLimitsforWroughtAluminumandWroughtAluminumAlloys［Ｒ］．[16]XIAOYQ，XIESS，LIUJG，etal．PracticalManualofAluminumProcessingTechnology［M］．Beijing:MetallurgicalIndustryPress，2005．[17]XIEL．DissertationforMaster［D］．Changsha:Centr