Реологические свойства веществ и материалов¶

Реологические свойства — это совокупность свойств веществ и материалов, характеризующих их способность деформироваться и течь под действием приложенных усилий, а также зависимость этой деформации от времени, температуры и напряжения. Термин происходит от греческого «rheos» — «течение» и был предложен в 1929 году американским физиком-химиком Бингемом для обозначения науки о деформации и течении веществ — реологии. В отличие от классической механики, рассматривающей идеально упругие тела, реология изучает реальные материалы, поведение которых сочетает элементы упругости, вязкости и пластичности.

¶Основные типы механического поведения

Все вещества по механическому отклику условно делятся на три идеальных типа:

• Идеально упругие тела — подчиняются закону Гука: деформация пропорциональна напряжению и полностью обратима. Пример — сталь при малых деформациях.
• Идеальные вязкие жидкости — подчиняются закону Ньютона: скорость деформации пропорциональна напряжению, деформация необратима. Пример — вода.
• Идеально пластические тела — деформируются без ограничения при некотором минимальном напряжении текучести.

Реальные материалы проявляют одновременно несколько типов поведения. Такие вещества называются вязкоупругими (или вязкопластичными), и именно их изучает реология.

¶Характерные реологические свойства

К основным реологическим свойствам относятся:

• Вязкость — сопротивление течению, определяемое отношением сдвигающего напряжения к скорости деформации. Для ньютоновских жидкостей вязкость постоянна, для неньютоновских — зависит от напряжения или скорости сдвига.
• Упругость — способность восстанавливать форму после снятия нагрузки, характеризуемым модулем упругости.
• Пластичность — необратимая деформация при превышении предела текучести.
• Релаксация напряжений — уменьшение напряжения при постоянной деформации во времени.
• Ползучесть — увеличение деформации при постоянном напряжении.
• Тиксотропия — уменьшение вязкости при длительном механическом воздействии с последующим восстановлением при покое.

¶Неньютоновские жидкости

Большинство реальных жидкостей и растворов не подчиняются закону Ньютона. Выделяют несколько типов неньютоновского поведения:

¶Методы измерения

Реологические свойства измеряют на реометрах и вискозиметрах. Основные методы:

• Капиллярные вискозиметры — измеряют время прохождения жидкости через капилляр (метод Гостингера, вискозиметры Уббелоде, Ван-Утта).
• Ротационные реометры — определяют сдвигающее напряжение между вращающимися цилиндрами или конусом и плитой. Позволяют строить кривые течения.
• Осцилляторные методы — применяют периодические колебательные деформации, что позволяет разделять упругую и вязкую составляющие модуля (модуль G′ и модуль G″).
• Тензометрические методы — измеряют ползучесть и релаксацию.

¶Области применения

Реологические свойства имеют значение во множестве отраслей:

¶Нефтегазовая промысловая техника

Буровые растворы должны обладать определённой тиксотропией: вязкими в покое, чтобы удерживать шлам, и разжижающимися при прокачке через буровой инструмент. Реология пластовых флюидов определяет условия перетока нефти в пласте.

¶Пищевая промышленность

Реологические свойства определяют текстуру, стабильность и технологичность продуктов: вязкость соусов, текучесть теста, структуру маргарина и мороженого.

¶Строительные материалы

Реология бетонных смесей влияет на их удобоукладываемость, способность заполнять форму и сопротивление расслаиванию. Реологические свойства штукатурных и клеевых составов определяют их технологичность.

¶Медицина и биология

Реологические свойства крови (гемореология) имеют клиническое значение: повышенная вязкость связана с риском тромбозов. Реология синовиальной жидкости, мокроты, слюны также изучается в медицинских целях.

¶Полимеры и каучуки

При переработке полимеров реологические свойства расплавов определяют режимы экструзии, литья и формования.

¶Реология в России

В СССР и России развитие реологии связано с работами в области механики полимеров и буровых технологий. Значительный вклад внесли учёные Института механики АН СССР, а также специалисты нефтяных вузов. В современных российских вузах реология преподаётся в рамках направлений «Химическая технология», «Нефтегазовое дело» и «Прикладная механика».

¶Основные реологические модели

Для описания поведения материалов используют математические модели:

• Модель Ньютона — линейная зависимость напряжения от скорости деформации.
• Модель Бингема — течёт только после превышения предела текучести.
• Модель Оствальда — де Вейля — степенная зависимость (уравнение Оствальда — де Вейля).
• Модель Максвелла — последовательное соединение пружины и демпфера, описывает релаксацию.
• Модель Кельвина — Фойхта — параллельное соединение, описывает ползучесть.
• Модель Герцеля — Бюргерса — комбинация элементов для описания сложного вязкоупругого поведения.

¶См. также

• Вязкость
• Ньютоновская жидкость
• Тиксотропия
• Механика сплошных сред
• Гемореология

¶Источники

• Бернштейн В. А. «Курс реологии и физико-химической механики»
• Виноградов Г. В., Малкин А. Я. «Реология полимеров»
• Губкин С. М. «Физико-химические свойства нефтяных флюидов»
• Бингем Е. «Fluidity and Plasticity» (1922)
• Деккер Х. А. «An Introduction to the Rheology of Food»