流變學的研究方法

流變學從一開始就是作為一門實驗基礎(chǔ)學科發(fā)展起來的,因此實驗是研究流變學的主要方法之一。它通過宏觀試驗,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,探求應力、應變與時間的關(guān)系,研究屈服規(guī)律和材料的長期強度。通過微觀實驗,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),以及位錯狀態(tài)等基本性質(zhì),探討材料流變的機制。

對流體材料一般用粘度計進行試驗。比如,通過計算球體在流體中因自重作用沉落的時間,據(jù)以計算牛頓粘滯系數(shù)的落球粘度計法;通過研究的流體在管式粘度計中流動時,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,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。

對彈性和粘彈性材料的實驗方法分為蠕變試驗、應力松弛試驗和動力試驗三種:

對材料進行蠕變實驗一般有對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,對材料試件施加軸向應力和靜水壓力,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。

應力松弛實驗是將材料試件置于應力松弛試驗儀上,使試件產(chǎn)生一恒定的變形,測定試件所受應力隨時間的衰減,研究材料的流變性能,也可以計算材料松弛時間的頻譜。這種試驗也可在彎曲流變儀、扭轉(zhuǎn)流變儀、壓縮流變儀上進行,此法適用于高分子材料和金屬材料。

除蠕變和應力松弛這類靜力試驗外,還可進行動力試驗,即對材料試件施加一定頻譜范圍內(nèi)的正弦振動作用,研究材料的動力效應。此法特別適用于高分子類線性粘彈性材料。通過這種試驗可以求得兩個物理量: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;每一振動循環(huán)的能量耗散。動力試驗可以測量能量耗散和頻率的關(guān)系,通過這個規(guī)律可以與蠕變試驗比較分析,建立模型。

在上述的各種試驗工作中,還要研究并應用各種現(xiàn)代測量原理和方法,大型電子計算機的出現(xiàn)對流變學領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了深遠的影響,如對于非線性材料的大應變、大位移的復雜課題已用有限元法或有限差分方法進行研究。

隨著經(jīng)濟和工業(yè)化的發(fā)展,流變學將有廣闊的發(fā)展領(lǐng)域,并已逐步滲透到許多學科而形成相應的分支,例如高分子材料流變學、斷裂流變力學、土流變學、巖石流變學以及應用流變學等等。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。實驗原理和測試技術(shù)的研究以及電子計算機的應用,將在流變學的發(fā)展中顯示重要的地位和發(fā)揮巨大的作用。

流變學名詞中的一些中英文對譯

假塑性pseudoplastic

拉脹性auxiticity

牛頓流體Newtonian fluid

非牛頓流體non-Newtonian fluid

賓漢姆流體Bingham fluid

冷流cold flow

牛頓剪切黏度Newtonian shear viscosity

剪切黏度shear viscosity

表觀剪切黏度apparent shear viscosity

剪切變稀shear thinning

觸變性thixotropy

塑性形變plastic deformation

塑性流動plastic flow

體積弛豫volume relaxation

拉伸黏度extensional viscosity

黏彈性viscoelasticity

線性黏彈性linear viscoelasticity

非線性黏彈性non-linear viscoelasticity

蠕變creep