流變學(xué)

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流變學(xué)的發(fā)展簡史
    流變學(xué)是力學(xué)的一個(gè)新分支,它主要研究材料在應(yīng)力、應(yīng)變、溫度濕度、輻射等條件下與時(shí)間因素有關(guān)的變形和流動(dòng)的規(guī)律。
    流變學(xué)出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代。學(xué)者們在研究橡膠、塑料、油漆、玻璃、混凝土,以及金屬等工業(yè)材料;巖石、土、石油、礦物等地質(zhì)材料;以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質(zhì)過程中,發(fā)現(xiàn)使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明這些材料的復(fù)雜特性,于是就產(chǎn)生了流變學(xué)的思想。英國物理學(xué)家麥克斯韋和開爾文很早就認(rèn)識(shí)到材料的變化與時(shí)間存在緊密聯(lián)系的時(shí)間效應(yīng)。
    麥克斯韋在1869年發(fā)現(xiàn),材料可以是彈性的,又可以是粘性的。對(duì)于粘性材料,應(yīng)力不能保持恒定,而是以某一速率減小到零,其速率取決于施加的起始應(yīng)力值和材料的性質(zhì)。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。許多學(xué)者還發(fā)現(xiàn),應(yīng)力雖然不變,材料棒卻可隨時(shí)間繼續(xù)變形,這種性能就是蠕變或流動(dòng)。
    經(jīng)過長期探索,人們終于得知,一切材料都具有時(shí)間效應(yīng),于是出現(xiàn)了流變學(xué),并在20世紀(jì)30年代后得到蓬勃發(fā)展。1929年,美國在賓厄姆教授的倡議下,創(chuàng)建流變學(xué)會(huì);1939年,荷蘭皇家科學(xué)院成立了以伯格斯教授為首的流變學(xué)小組;1940年英國出現(xiàn)了流變學(xué)家學(xué)會(huì)。當(dāng)時(shí),荷蘭的工作處于地位,1948年國際流變學(xué)會(huì)議就是在荷蘭舉行的。法國、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利時(shí)等國也先后成立了流變學(xué)會(huì)。
    流變學(xué)的發(fā)展同世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程密切相關(guān)?,F(xiàn)代工業(yè)需要耐蠕變、耐高溫的高質(zhì)量金屬、合金、陶瓷和高強(qiáng)度的聚合物等,因此同固體蠕變、粘彈性和蠕變斷裂有關(guān)的流變學(xué)迅速發(fā)展起來。核工業(yè)中核反應(yīng)堆和粒子加速器的發(fā)展,為研究由輻射產(chǎn)生的變形打開新的領(lǐng)域。
    在地球科學(xué)中,人們很早就知道時(shí)間過程這一重要因素。流變學(xué)為研究地殼中極有趣的地球物理現(xiàn)象提供了物理-數(shù)學(xué)工具,如冰川期以后的上升、層狀巖層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等。對(duì)于地球內(nèi)部過程,如巖漿活動(dòng)、地幔熱對(duì)流等,現(xiàn)在則可利用高溫、高壓巖石流變試驗(yàn)來模擬,從而發(fā)展了地球動(dòng)力學(xué)。
    在土木工程中,建筑的土地基的變形可延續(xù)數(shù)十年之久。地下隧道竣工數(shù)十年后,仍可出現(xiàn)蠕變斷裂。因此,土流變性能和巖石流變性能的研究日益受到重視。
    流變學(xué)的研究內(nèi)容
       流變學(xué)研究內(nèi)容是各種材料的蠕變和應(yīng)力松弛的現(xiàn)象、屈服值以及材料的流變模型和本構(gòu)方程。
    材料的流變性能主要表現(xiàn)在蠕變和應(yīng)力松弛兩個(gè)方面。蠕變是指材料在恒定載荷作用下,變形隨時(shí)間而增大的過程。蠕變是由材料的分子和原子結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整引起的,這一過程可用延滯時(shí)間來表征。當(dāng)卸去載荷時(shí),材料的變形部分地回復(fù)或完全地回復(fù)到起始狀態(tài),這就是結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一現(xiàn)象。
    材料在恒定應(yīng)變下,應(yīng)力隨著時(shí)間的變化而減小至某個(gè)有限值,這一過程稱為應(yīng)力松弛。這是材料的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一種現(xiàn)象。
    蠕變和應(yīng)力松弛是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部顯現(xiàn)。這種可觀測的物理性質(zhì)取決于材料分子(或原子)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)特性。因此在一定應(yīng)力范圍內(nèi),單個(gè)分子(或原子)的位置雖會(huì)有改變,但材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)特征卻可能不會(huì)變化。
    當(dāng)作用在材料上的剪應(yīng)力小于某一數(shù)值時(shí),材料僅產(chǎn)生彈性形變;而當(dāng)剪應(yīng)力大于該數(shù)值時(shí),材料將產(chǎn)生部分或完全永久變形。則此數(shù)值就是這種材料的屈服值。屈服值標(biāo)志著材料有完全彈性進(jìn)入具有流動(dòng)現(xiàn)象的界限值,所以又稱彈性極限、屈服極限或流動(dòng)極限。同一材料可能會(huì)存在幾種不同的屈服值,比如蠕變極限、斷裂極限等。在對(duì)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?xiàng)l件下(如溫度、壓力、濕度、輻射、電磁場等),以應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間的物理變量來定量描述材料的狀態(tài)的方程,叫作流變狀態(tài)方程或本構(gòu)方程。材料的流變特性一般可用兩種方法來模擬,即力學(xué)模型和物理模型:
    在簡單情況(單軸壓縮或拉伸,單剪或純剪)下,應(yīng)力應(yīng)變特性可用力學(xué)流變模型描述。在評(píng)價(jià)蠕變或應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果時(shí),利用力學(xué)流變模型有助于了解材料的流變性能。這種模型已用了幾十年,它們比較簡單,可用來預(yù)測在任意應(yīng)力歷史和溫度變化下的材料變形。
    力學(xué)模型的流變模型沒有考慮材料的內(nèi)部物理特性,如分子運(yùn)動(dòng)、位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、裂紋擴(kuò)張等。當(dāng)前對(duì)材料質(zhì)量的要求越來越高,如高強(qiáng)度超韌性的金屬、高強(qiáng)度耐高溫的陶瓷、高強(qiáng)度聚合物等。對(duì)它們的研究就必須考慮材料的內(nèi)部物理特性,因此發(fā)展了高溫蠕變理論。這個(gè)理論通過考慮了固體晶體內(nèi)部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對(duì)材料流變性能的影響,表達(dá)出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理常數(shù),亦即材料的物理流變模型。
    流變學(xué)的研究方法
       流變學(xué)從一開始就是作為一門實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展起來的,因此實(shí)驗(yàn)是研究流變學(xué)的主要方法之一。它通過宏觀試驗(yàn),獲得物理概念,發(fā)展新的宏觀理論。例如利用材料試件的拉壓剪試驗(yàn),探求應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系,研究屈服規(guī)律和材料的長期強(qiáng)度。通過微觀實(shí)驗(yàn),了解材料的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì),如多晶體材料顆粒中的缺陷、顆粒邊界的性質(zhì),以及位錯(cuò)狀態(tài)等基本性質(zhì),探討材料流變的機(jī)制。
    對(duì)流體材料一般用粘度計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)。比如,通過計(jì)算球體在流體中因自重作用沉落的時(shí)間,據(jù)以計(jì)算牛頓粘滯系數(shù)的落球粘度計(jì)法;通過研究的流體在管式粘度計(jì)中流動(dòng)時(shí),管內(nèi)兩端的壓力差和流體的流量,以求得牛頓粘滯系數(shù)和賓厄姆流體屈服值的管式粘度計(jì)法;利用同軸的雙層圓柱筒,使外筒產(chǎn)生一定速度的轉(zhuǎn)動(dòng),利用儀器測定內(nèi)筒的轉(zhuǎn)角,以求得兩筒間的流體的牛頓粘滯系數(shù)與轉(zhuǎn)角的關(guān)系的轉(zhuǎn)筒法等。
    對(duì)彈性和粘彈性材料的實(shí)驗(yàn)方法分為蠕變試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn)三種:
    對(duì)材料進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn)一般有對(duì)材料試件施加恒定的拉力,以研究材料的拉伸蠕變性能的拉伸法;在專門的剪力儀中對(duì)材料施加恒定的剪力,研究材料的剪切蠕變性能;利用三軸儀,對(duì)材料試件施加軸向應(yīng)力和靜水壓力,研究材料的單向或三向壓縮蠕變性能;利用扭轉(zhuǎn)流變儀,對(duì)材料試件施加恒定的扭力,研究材料的扭轉(zhuǎn)蠕變性能;以及在粱形試件上施加恒定的彎矩,研究材料撓度蠕變性能的彎曲法等。
    應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)是將材料試件置于應(yīng)力松弛試驗(yàn)儀上,使試件產(chǎn)生一恒定的變形,測定試件所受應(yīng)力隨時(shí)間的衰減,研究材料的流變性能,也可以計(jì)算材料松弛時(shí)間的頻譜。這種試驗(yàn)也可在彎曲流變儀、扭轉(zhuǎn)流變儀、壓縮流變儀上進(jìn)行,此法適用于高分子材料和金屬材料。
    除蠕變和應(yīng)力松弛這類靜力試驗(yàn)外,還可進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn),即對(duì)材料試件施加一定頻譜范圍內(nèi)的正弦振動(dòng)作用,研究材料的動(dòng)力效應(yīng)。此法特別適用于高分子類線性粘彈性材料。通過這種試驗(yàn)可以求得兩個(gè)物理量:由于材料發(fā)生形變而在材料內(nèi)部積累起來的彈性能量;每一振動(dòng)循環(huán)的能量耗散。動(dòng)力試驗(yàn)可以測量能量耗散和頻率的關(guān)系,通過這個(gè)規(guī)律可以與蠕變試驗(yàn)比較分析,建立模型。
    在上述的各種試驗(yàn)工作中,還要研究并應(yīng)用各種現(xiàn)代測量原理和方法,大型電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)對(duì)流變學(xué)領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,如對(duì)于非線性材料的大應(yīng)變、大位移的復(fù)雜課題已用有限元法或有限差分方法進(jìn)行研究。
    隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)化的發(fā)展,流變學(xué)將有廣闊的發(fā)展領(lǐng)域,并已逐步滲透到許多學(xué)科而形成相應(yīng)的分支,例如高分子材料流變學(xué)、斷裂流變力學(xué)、土流變學(xué)、巖石流變學(xué)以及應(yīng)用流變學(xué)等等。在理論研究上,已超出均勻連續(xù)介質(zhì)的概念,開始探索離散介質(zhì)、非均勻介質(zhì)以及非相容彈性介質(zhì)的流變特性。實(shí)驗(yàn)原理和測試技術(shù)的研究以及電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,將在流變學(xué)的發(fā)展中顯示重要的地位和發(fā)揮巨大的作用。