1Реология – это наука о деформации и текучести веществ. Основной задачей реологии является изучение закономерностей поведения различных материалов под действием деформирующих усилий. Реологические свойства: - вязкость – мера сопротивления течению; - упругость – способность тела восстанавливать форму или объем после деформации; - пластичность – способность тела под действием внешних сил необратимо деформироваться без нарушения сплошности; 2. Деформация – это изменение формы и (или) линейных размеров тела под действием внешних сил, при изменении влажности, температуры и др., при котором частицы или молекулы смещаются одна относительно другой без нарушения сплошности тела. Если деформации изменяются во времени t, то учитывают скорость деформации (градиент скорости) – [с–1] при растяжении – сжатии и [с–1], при сдвиге: d d dt ; dt Различают сдвиговые или касательные напряжения (τ), направленные вдоль поверхности и нормальные напряжения (σ). нормальные напряжения максимальны в таких направлениях, в которых касательные напряжения отсутствуют. Всегда существуют такие направления ориентации осей координат, в которых либо нормальные, либо касательные напряжения максимальны. Только нормальные напряжения могут вызвать изменения объёма тела, в то время как действие касательных напряжений не приводит к изменению объёма тела, они могут только изменить форму тела. 3. Е – коэффициент пропорциональности (модуль упругости I рода). Модуль упругости является физической константой материала и определяется экспериментально. Величина Е измеряется в тех же единицах, что и σ, т.е. в кГ/см2. - закон Гука для сдвига. G– модуль сдвига (модуль упругости II рода). Размерность модуляGтакая же, как и у модуля Е, т.е. кГ/см2. . Количественная связь между изменениями размеров деформируемого образца в продольном и поперечном направлениях определяется коэффициентом Пуассона . Для абсолютно хрупких материалов коэффициент Пуассона равен 0, для абсолютно несжимаемых – 0,5. Для большинства сталей этот коэффициент лежит в районе 0,3, т.е. объем стального тела увеличивается при растяжении. Для резины (эластомеров) он равен приблизительно 0,5, т.е. изменения в объеме практически не происходит. 4. Формально, число Деборы определено как отношение времени релаксации, характеризовав время, которое требуется для материала, чтобы приспособиться к прикладным усилиям или деформациям и характерным временным рамкам эксперимента (или компьютерное моделирование) исследование ответа материала: : где t относится ко времени релаксации напряжения, и t относится к временным рамкам наблюдения. Это включает и эластичность и вязкость материала. В более низких числах Деборы материал ведет себя более подобным жидкости способом со связанным ньютоновым вязким потоком. В более высоких числах Деборы существенное поведение входит в неньютонов режим, все более и более во власти эластичности и демонстрации подобного телу поведения. Примеры, подтверждающие условность понятия твердый-жидкий: 1) Если воду подавать из сопла с очень большой скоростью, ее капли, ударяясь о твердую стенку, будут сплющиваться. Затем эти капли упруго отскакивают и их сферическая форма мгновенно восстанавливается. При этих экстремально быстрых процессах t,будучи очень малым, определяет очень высокое число Деборы. Это означает, что даже вода может реагировать на деформации как упругое тело. 2) Знаменитые стеклянные окна Шартрского кафедрального собора во Франции имеют “подтеки”, так как они были сделаны около 600 лет тому назад. В средние века оконные стекла имели вверху и внизу одинаковую толщину, но к нашему времени молекулы стекла под влиянием силы тяжести “стекли” вниз. Поэтому сейчас толщина стекла в верхней части близка к толщине бумаги, в то время как в нижней она увеличилась более чем в два раза. В результате очень длительного периода времени t процесса течения число Деборы стало малым. 5. Достаточно приложить какое-либо механическое напряжение на жидкость. Если после снятия напряжения жидкость не восстановит свою изначальную форму, то жидкость не будет являться вязкоупругой, а если частично восстановит то будет. 6. Сдвиг, вызывающий течение жидкости, можно описать четырьмя модельными случаями. Течение между двумя плоскопараллельными пластинами осуществляется в том случае, когда одна пластина движется, а другая неподвижна. Это вызывает ламинарное течение слоев, подобное смещению отдельных карт в колоде. Течение в кольцевом зазоре между двумя концентрическими цилиндрами, из которых один неподвижен, а другой вращается. В этом случае течение может быть представлено как перемещение концентрических слоев, размещенных таким образом, что каждый последующий слой находится внутри предыдущего. Течение в трубопроводах, трубках или капиллярах. Течение жидкости через капилляр реализуется вследствие разности давлений на входе в капилляр и на выходе из него. При этом имеет место параболическое распределение скоростей слоев в радиальном направлении внутри потока жидкости. Течение между двумя параллельными плоскостями или между конусом и плоскостью. В этом случае одна из рабочих поверхностей неподвижна, а другая вращается. Такое течение может моделироваться вращающейся цилиндрической стопкой монет, в которой каждая последующая монета смещена на малый угол относительно предыдущей. 7. Вя́зкость (вну́треннее тре́ние) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате макроскопическая работа, затрачиваемая на это перемещение, рассеивается в виде тепла. Твёрдые тела (стекло, металлы, полупроводники, диэлектрики, ферромагнетики)[1] также могут обладать вязкостью, но внутреннее трение в твёрдых телах в силу специфики явления обычно рассматривается отдельно в теории упругости и пластичности. 8. Соотношение между напряжением сдвига и скоростью сдвига, характеризующее поведение жидкости при течении, графически изображается в виде кривой, на которой по оси ординат откладывают значения τ, а по оси абсцисс – ̇ . Такой график называют кривой течения. Рис. 1. Кривая течения ньютоновской жидкости Зависимость вязкости от скорости или напряжения сдвига, называется кривой вязкости. Рис. 2. Кривая вязкости ньютоновской жидкости. 9. Основной закон вискозиметрии, описывающий течение идеальной жидкости, впервые сформулировал Исаак Ньютон: τ=η̇ где τ- напряжение сдвига; η- вязкость; ̇ - скорость сдвига. Идеально твердые тела деформируются под воздействием сдвиговых напряжений в соответствии с законом Гука: τ=Gγ где G- модуль упругости, γ-относительная деформация. 10. Приборы, которые измеряют вязкоупругие характеристики твердых тел, твердообразных систем и жидкостей, называют “реометрами”. Приборы, применение которых ограничено исследованиями вязкого течения жидкостей, обычно называют “вискозиметрами”. 11. Тиксотропия - медленное изменение вязкости или любых реологических свойств, вызванное деформированием материала или отдыхом после снятия внешней нагрузки. Реопексия – явление, при котором деформирование некоторых систем приводит не к снижению, а к росту вязкости. Эффект реопексии демонстрируют, например, высококонцентрированные эмульсии типа «вода в масле» при непрерывном изменении скорости сдвига или консистентные смазки. Реопексные жидкости, проявляющие антитиксотропный характер течения, характеризуются возрастанием вязкости при продолжительном сдвиговом воздействии 12. Псевдопластичными жидкостями – называют жидкости, вязкость которых снижается при возрастании скорости сдвига. Для очень многих жидкостей, имеющих важное техническое значение, таких как эмульсии, суспензии или дисперсии, характерно резкое снижение вязкости при повышении скорости сдвига. Дилатантные жидкости – жидкости, для которых характерно возрастание вязкости по мере увеличения скорости сдвига. Дилатантный характер течения обнаружен, например, у высококонцентрированных суспензий, в которых твердые частицы, такие как эмульсионный ПВХ, при пластификации образуют пластизоли. Существуют так называемые тела, или жидкости с пределом текучести или тела Сен-Венана. Такие тела при малых сдвиговых усилиях не деформируется, а при превышении некоторого значения усилия деформируется необратимо. Типичными веществами, обладающими пределом текучести, являются пластичные смазки, губная помада, зубная паста и натуральный каучук. 13. Ползучесть — медленная, происходящая с течением времени, деформация твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Явление ползучести в принципе присуще всем материалам, но не все они обладают им в одинаковой мере. В металлах ползучесть обнаруживается лишь при высоких температурах, а в цветных металлах (свинец, медь и др.) может проявляться и при обычных температурах. Наиболее ощутим процесс ползучести в бетоне, грунтах, полимерах. 14. Существует множество технологических материалов, в которых наблюдается медленное снижение силы (напряжения). Это явление называют релаксацией напряжений. Например, релаксация возникает в болтах, соединяющих фланцы горячего трубопровода. Болты затягивают туго, но через некоторое время их надо подтягивать. Напряжения в жидкости релаксируют от начального значения σ0 до нуля, поскольку в неподвижной жидкости напряжения сохраняться не могут (рис.11). Напряжения в твёрдом теле могут уменьшаться от начального значения, но при этом сохраняются остаточные (равновесные) напряжения сколь бы долго ни продолжалась релаксация. Рис. 11. Релаксация напряжений в жидкости (1) и в твердом теле (2). Это различие в поведении жидкостей и твёрдых тел при релаксации также может быть принято в качестве определения этих двух типов реологических сред. Однако после приложения к телу нагрузки релаксация может происходить настолько медленно, что наблюдатель может ошибочно зафиксировать некоторое напряжение как остаточное, а оно, тем не менее, продолжает релаксировать. Релаксируют все материалы: вода, стекло, металлы и горные породы. Время релаксации для воды очень мало – 10-11 с; для стекла 100 лет; горные породы имеют время релаксации, измеряемое тысячелетиями. Таким образом, понятия «жидкое тело» и «твёрдое тело» -действительно относительные понятия. Результат зависит от продолжительности наблюдения и температуры. Зимой асфальт «твёрдый», летом он плавится, и на нём остаются следы от колес автомобиля. Это значит, что время релаксации асфальта снижается в сотни раз. 15. Основная особенность изображённых на рисунке кривых ползучести состоит в запаздывании деформации по отношению к мгновенному приложению и снятию нагрузки. Различие между жидким и твёрдым телом становится более явным при сравнении конечных участков кривых. У жидкостей кривая деформаций переходит в наклонную прямую 1, угол наклона которой к оси абсцисс определяется вязкостью жидкости. После снятия нагрузки сохраняется некоторая остаточная деформация, которую легко обнаружить. Рис. 10. Развитие деформации в вязкоупругих материалах: 1-вязкоупругая жидкость, 2 -вязкоупругое твердое тело. У твёрдых тел конечная часть графика деформаций представляет собой прямую линию, то есть деформация достигает своего предельного уровня. После снятия нагрузки деформация уменьшается до нуля, и никакой остаточной деформации не остаётся. Эти особенности могут быть положены в основу формального различия между жидкостью и твёрдым телом. Однако в реальности указанное различие фиксируется не очень чётко: развитие деформации тела под нагрузкой и упругое восстановление после снятия нагрузки могут происходить очень медленно. Настолько медленно, что эти деформации трудно зафиксировать. Явление медленного развития деформации называют ползучестью, а эффект медленного восстановления деформации – упругим возвратом (восстановлением). упругое тело является консервативной системой: механическая энергия, использованная для совершения деформации, накапливается в теле и может быть получена обратно при разгрузке; вязкие и пластические тела являются диссипативными системами: механическая энергия, затраченная на преодоление внутреннего и сухого трения, препятствующего деформированию, обращается в теплоту.
