1 基于变形的材料加工技术概述
基于变形的材料加工技术，即塑性成形，可充分利用材料的塑性流动能力，改变原材料的冶金状态以调控材料性能。近年来人们对环境友好、能源消耗和材料利用率日益关注，因而对高性能、轻量化和高功能整体复杂构件的精确成形制造要求越来越高。基于变形的材料加工可以满足高端制造对缩短设计开发周期、降低生产成本、提高尺寸精度和改善成形质量日益增加的需求，使得材料加工技术领域重新焕发了生机。
基于变形的材料加工与弹塑性变形物理基础和与之相关的冶金学原理如再结晶和微观织构形成以及成形力学等密切相关。在不合适的热力加载条件下，非稳态变形可能发生并引发各种各样的多尺度缺陷，不同类型缺陷的出现直接影响材料变形过程的工艺行为和性能，以及所加工零部件的性能和质量。深入探索和理解材料变形力学行为、制造工艺性能以及产品的性能和质量是基于变形的材料加工技术发展的研究基础。如何控制非均匀变形，避免不同类型的宏微观缺陷，实现无缺陷制造，并调控产品的性能，实现高质量成形是该领域的关键挑战。
当前，从基础理论到技术创新，基于变形的材料加工领域各个研究方向均出版了大量的专著、期刊论文、会议论文集等，但仍缺乏系统深入地阐述变形过程的工艺行为、性能、模拟和控制以及总结最新研究成果的专著。Deformation-based Processing of Materials: Behavior, Performance, Modeling, and Control一书着重阐述基于变形的材料加工过程中材料变形力学及冶金物理行为的表征、模拟和控制，系统介绍了非均匀变形、损伤断裂、压缩失稳、回弹、表面粗化、流动缺陷、微结构异常等成形缺陷的现象、机理和根源，强调通过减少、避免和主动控制变形和缺陷以实现产品所需的形状尺寸精度以及组织性能的调控，为实现高性能轻量化高功效关键构件的绿色智能制造提供参考。
2 主要内容
该书第一章为成形制造概述，介绍了基于变形的材料加工技术的基本概念，阐述了变形相关的多种物理机制以及与成形成性相关的关键问题，对变形过程进行了分类，阐述了材料变形过程的行为和性能，综述了变形导致的各种缺陷，提出了缺陷的一般分类，讨论了成形制造的发展趋势和面临的科学挑战，提出了一些亟待解决的关键问题。
第二章介绍了非均匀变形的定义和表征方法，对图1所示微观变形机理进行了讨论，从内部因素和外部因素两个方面阐述了非均匀变形的根源。基于影响非均匀变形的内外因素的相互作用，论述了图2所示的非均匀变形的多尺度建模和仿真。以管材数控弯曲为例，介绍了非均匀变形协调控制方法。
图1 不同晶体结构材料的变形机制
图2 非均匀变形多尺度建模和仿真
第三章介绍了变形加工过程中材料的损伤演化与韧性断裂现象，阐述了不同应力状态下材料孔洞损伤和剪切损伤的不同演化特征，给出了耦合和非耦合韧性断裂准则及失效图以预测材料变形加工过程中的损伤断裂，确定材料的成形极限。通过断裂准则在管材弯曲和扩口中的应用，阐明了损伤断裂的模拟和预测在变形加工设计制造中的重要性，总结了损伤断裂的控制方法及损伤断裂预测控制所面临的挑战。
第四章介绍了板料成形中的主要缺陷——失稳起皱，从起皱现象、起皱机理、起皱的模拟和控制方法等方面对失稳起皱进行了详细的介绍，通过多个研究案例对压缩不稳定性进行了深入讨论，总结了基于变形的材料加工中压缩失稳预测和控制面临的关键瓶颈问题。
第五章介绍了变形导致的回弹缺陷，从影响回弹的基本因素、非线性弹性、回弹预测和控制策略等方面系统介绍了基于变形的材料加工过程中的回弹缺陷，总结了回弹减小和回弹补偿两个典型回弹控制策略。通过两个回弹研究案例，分析了薄板和管材弯曲过程中的回弹缺陷，总结了回弹预测和控制中有待进一步研究的不确定性和未知量。
第六章全面介绍了表面粗化的形成机理、介观尺度建模和仿真以及表面粗化的控制策略。阐述了基于变形的材料加工过程中存在的多种表面缺陷，通过对管材弯曲过程中的表面粗化现象进行实验和数值研究，阐明了晶粒力学性能各向异性对表面粗化缺陷的影响规律和机制。
第七章介绍了基于变形的材料加工过程中最常见的流动缺陷——填充缺陷、流线缺陷和与速度相关的流动缺陷。通过物理实验和有限元模拟，分析了流动缺陷形成机理和产生的根本原因，总结了避免流动缺陷产生的方法。通过在产品开发过程中使用模拟生成的解决方案，可以在设计的早期阶段识别和避免流动缺陷，通过研究实例阐述了该方法如何在成形过程中避免流动缺陷产生。
第八章系统介绍了基于变形的材料加工过程中的微结构缺陷及其形成机理和影响因素，综述了微观组织演化的多尺度建模和模拟方法，基于对微结构缺陷的认识建立了多尺度模型，提出了无缺陷加工的初步设计和实时控制方法。以典型材料的微结构缺陷的模拟、预测和控制为例，讨论了微结构缺陷研究面临的挑战。
3 基于变形的材料加工技术发展趋势
基于变形的材料加工技术在航空、航天、船舶、汽车等传统高端制造领域有着广泛的应用，在电子器件、可再生能源和生物医疗等领域的应用也日益广泛。这些领域对高端产品日益严格的要求推动了基于变形的材料加工理论和技术的持续发展。结合这些领域的发展现状，试提出当前的主要发展趋势如下：
(1)高性能轻量化高功能构件精确成形。基于变形的材料加工技术制造的零部件在航空、航天、汽车、能源等领域应用广泛，这些领域对高尺寸精度、高质量、大承载能力、大变形载荷、低能耗、长寿命的要求越来越高，如宽弦空心风扇叶片、双性能整体叶盘、耐高压管路等高性能轻量化部件的精确成形就需要满足上述要求。
(2)难变形材料和难成形结构精确成形。先进的轻质高强材料，如铝合金、钛合金、镁合金、高强钢以及纤维增强复合材料等的设计和使用，是生产轻质高强构件的首选。典型的难成形结构通常具有整体、薄壁、形状复杂、精度高的特征，或者具备超大/超小尺寸或其组合特征，需要通过创新设计，实现这类高性能轻量化构件的精确成形成性。
(3)高效率低能耗整体成形成性。由于全球市场的激烈竞争和边际效应的存在，需要不断地提高生产效率，降低生产成本，缩短上市时间，降低能源消耗，促进绿色制造，加强质量控制，同时保证形状尺寸精度并获得期望的性能。随着全球化的加剧以及制造业分散化趋势日益明显，越来越多的多功能个性化产品需要大规模定制，设计开发新颖的、可持续的、绿色的、智能的、高效的成形系统，实现高效率低能耗整体成形成性变得至关重要。
(4)基于大数据的数字化和智能化制造。基于变形的材料加工所涉及的复杂物理现象使得仅使用解析和物理实验来支撑零件的设计和工艺决策是不可行的。多尺度多能场全过程数值模拟与解析、实验和大数据分析等人工智能技术相结合，为开发新颖甚至颠覆性技术、实现数字化智能化过程、开发最先进的变形过程提供了强有力的手段，将加速资源密集型制造业向知识密集型制造业的转变。
4 基于变形的材料加工技术面临的挑战
当前，越来越多的难变形材料和难成形结构采用基于变形的加工技术制造，使得这一传统制造技术面临越来越多的新的科学和技术挑战，迫切需要解决这些挑战来激发这一传统制造技术的活力。针对上述发展趋势，试提出一些科学技术挑战如下：
(1)提高难变形材料的成形性和难成形结构的可加工性。轻质高强材料如钛合金、镁合金、高温合金、复合材料等通常是塑性差、变形抗力大、成形性差的难变形材料，薄壁、整体、复杂、极端特征的结构通常是难成形结构，采用基于变形的材料加工技术面临不均匀变形、复杂微结构演变、成形小部件尺寸效应显著、模具与材料界面摩擦复杂等问题，因此，开发新的成形原理和技术，提高难变形材料的成形性和难成形结构的可加工性，是一个基础性和挑战性的问题。
(2)基于形性一体化的“无缺陷”制造。变形制造中存在着各种各样的与外部结构和内部结构相关的缺陷，这些缺陷是由复杂非稳态、不均匀变形引起的，并受到不同的加工历史和冶金因素的影响。在高性能轻量化产品的精确成形中，实现非均匀变形中微观组织的调控，基于多缺陷复杂物理机制的相互作用控制实现无缺陷成形，已成为一个具有挑战性的问题。
(3)多物理场多尺度加工过程中的耦合建模和仿真。变形制造涉及材料科学、材料力学、机械工程、热能工程等多学科多领域的各种行为和现象，在力、热、电、磁、振动等多物理场耦合加载条件下，这些行为和现象之间的相互作用是非常复杂的，探索和理解不同大小尺度下的相关行为和现象的差异表现非常必要，因此，多物理场多尺度非均匀变形行为和多种成形缺陷的耦合建模及仿真是基于变形的材料加工的关键问题，对成形产品和成形工艺的优化设计至关重要。
(4)全流程优化设计和稳健控制。基于变形的材料加工过程是一个涉及多能场的非线性物理过程，包含复杂物理行为的不同热力加载过程，涉及多种变形机制及其耦合作用，易导致非均匀变形和各种类型缺陷的形成，因此，多目标多约束的过程优化设计和稳健控制至关重要。如何在整个设计空间进行全流程优化设计并实现稳健控制是材料变形加工设计与开发的难点。
