流变学特性
对物体流变性的研究
流变学正如其名是对物体流变性的研究。它是物理学的一个分支,涉及载荷下材料的变形和流动。流体的流变学特性各不相同,主要可以分为两大类。一类叫牛顿流体,这种流体的黏度与流动状态(即动力学特征)无关。另一类称为非牛顿流体。流体的黏度随流动状态的变化而变化。
简介
流变学正如其名是对物体流变性的研究。它是物理学的一个分支,涉及载荷下材料的变形和流动。当材料受载荷的作用时,材料的特征可以用四个基本的流变学特性概念来描述:弹性塑性黏滞性强度。所有这些术语都是大家所熟悉的,但在描述材料特征时,每一个概念都有其严格而精确的含义,这些含义可被正确的测试所论证。在大多数的材料中,这些特性是共存的是为了阐明每一特性的含义,通常将一个假定的物质或者杆件作为代表来描述它们的特性,而这种物质或杆件对载荷作用下理想化的反应可以用力和变形曲线来表示。
四个基本的流变学特性
弹性
用假定的弹性物质或杆件来定义弹性,有时被称为“Hookean体”模型。简单地说Hook定律是“固体的变形与作用于其上的力成正比”。
通常以图解的形式对一个代表所有材料特性的物体进行描述。因此,用“完好的弹簧”来描述弹性,它包含了这类物体三个方面的特性。
第一,弹性体可从变形中完全恢复过来,力能拉长弹簧或使材料变形,但是只要去除这个力,那弹簧就会恢复到原来的位置,丝毫没有改变。
第二,瞬时作用力可引起即刻反应,用通常的话来讲,就是施加或去除任何作用于物体上的力都会立刻引起物体大小的变化。
第三,作用力与变形之间呈线性关系。每一单位的作用力可产生同样的变形增量(对于弹簧则是拉长)。在平面图上,力与变形曲线为一条直线,随着作用力的减少,曲线会回到零位点。
塑性
塑性是流变学特性的第二种,可以用黏土模型来表示。理想化的塑性杆件有时被称为Coulomb体或St.Venent体。传统塑性体是放在地面上的一块砖头,砖头表面与地面之间有摩擦。这种理想的特性与摩擦阻力相似:随着作用力的增加,材料抵抗变形至临界点,这就引起材料的持续塑性变形,而作用力不再增加。塑性变形的开始阶段叫做“屈服”,屈服点上的应力最低。在这点上,应变增加,但应力不再增加。与弹性体不同的是,在弹性体中作用力增加立即引起持续永久性变形。作用在塑性体或物质上的力要么不产生任何反应,要么就引起持续性的变形。任何变形都是永久性的.不可恢复。
首先,作用力F只有在达到临界值Fc,即克服了摩擦阻力时才引起变形。之后,只要作用力继续存在,变形就会持续下去:作用力或者不产生任何运动或者产生持续性运动,对于完好的塑性材料,“屈服”开始后材料内的应力不再增加。
第二,在去除作用力后,永久性变形继续存在,不会发生反弹或重新恢复至最初的位置或大小。从力一变形曲线上可以清楚地观察到。
第三,向物体施加维持持续运动的最小作用力,即刻发生变形并持续下去。
黏性
是第三种理想化的特性,适用于固体和流体,是来抵抗剪力及流动力的。通常用黏性体来描述黏性特性。
与弹性和塑性不同的是,黏性完全与时间有关。变形不仅取决于作用力,而且还取决于作用力的速度,结果就是可以画出力与时间或变形与时间的曲线来表示这种材料的性质。变形不是与作用力同时发生,而是随后出现的。只要是作用力存在,变形就会持续下去。双倍作用力许不会像在弹性体中那样可立即引起双倍的变形,仅是引起变形速度的加快。缓冲器中的结果取决于时间,黏性体或缓冲器特性可概括如下:
首先,施加任何恒定的作用力如重量引起的变形可随着时间的增加而持续。而对弹性体来说,在施加作用力后可立即引起完全的变形。而对塑性材料而言,在到达临界力之前材料不会发生任何变形,材料内的应力也不再增加。
第二,变形速度与作用力的大小有着直接的关系,作用力越大,变形速度或应变的速度越快;同样,材料内的应力与应变速度有着直接的相关性。
第三,无弹性回复,当作用力减至零时,存在有永久性变形。与塑性变形不同的是,无论作用力大小都可引起变形。曲线显示在单位时间内作用力越大,变形就越大。
重点是随时间变化的变形和随应变率变化的应力。这些都是整形外科非常重要的概念,因为研究显示所有的人体组织都具有黏性特征。
强度
这是第四种流变学特性,可以简单地定义为材料折断所需要施加的力,它不需要像其他特性那样需要任何理想化的假设。可以用不同的方法来定义材料的强度,如应变、应力、某一结构的载荷或引起折断的能量来描述强度。
结果大部分材料的强度是用拉伸应力来定义的,这种拉伸应力是在单一载荷下材料折断所需要的拉力,但在某些情况下,知道压力或剪力也很重要。
最大拉伸强度(UTS)是单位面积上的最大拉力,即拉应力,它使得材料从优势转为劣势。尽管整形外科现在通常使用国际单位(SI),但是在美国的工程学圈内,强度与其他相关的材料特性仍然使用Psi单位(1b—f/in2)。
对脊柱推拿而言,强度这个要素不如其他三个要素那么重要,调节手法和软组织按摩手法的力量总是在组织强度的安全限度内。然而,我们仍然不知道调整矫正力量的精确值,我们只能大略地估计。美国Colorado州Boulder大学的Sub博士设计了一种仪器来测量脊柱推拿时推拿师的推扳和调整力量的大小。为了使脊柱推拿手法更为精确,我们需要知道脊柱推拿中矫正手法对组织作用力的大小。
应用
流变化性能在水溶性高分子的应用中是非常重要的。例如,在乳胶漆中,为了避免颜料沉降,要求有较高的静止黏度;而在涂刷剪切力作用下,黏度低为好,因此,要求涂料具有假塑性。但这种流动性也不能太大,而且在涂刷之后,表面上的涂料就不要流坠,这又要求涂料具有触变性。在钻井用的泥浆流体方面,流动特性也有很大意义。为了增加钻井的效率,减少阻力,要求钻井泥浆有一定的假塑性,并能将碎岩石屑悬浮起来带走。在造纸涂层方面,要求涂饰剂有触变性。纺织印花中,流体要易流平,并能悬浮颜料。建筑工业中,需要控制浆料、涂料的流动性能,以改善产品的流动特性,控制水分的逸出。
参考资料
最新修订时间:2023-07-29 17:58
目录
概述
简介
四个基本的流变学特性
参考资料