3.2.2 Течение вязкоупругих и пластических сред

Для течения вязкоупругих и пластических сред сдвиг  не отражает состояние материала. Поведение материала в этом случае характеризуется изменением деформации во времени t, т.е. скоростью деформации . Касательное напряжение , которое расходуется на преодоление трения между перемещающимися слоями среды, пропорционально скорости сдвига. Течение описывается законом Ньютона

_. (3.1)

Величина  в (3.1) называется коэффициентом вязкости (Пас), она полностью характеризует реологические свойства системы при ламинарном течении жидкости.

Вязкое течение. Среды (материалы), вязкость которых не зависит от прилагаемого напряжения, т.е. является постоянным коэффициентом в законе Ньютона, называются ньютоновскими, или нормальными. Вязкое течение механически и термодинамически необратимо, сопровождается диссипацией энергии, переходом подведенной механической энергии в тепловую.

Величина, обратная вязкости 1/, называется текучестью, она характеризует подвижность системы.

Вязкость ньютоновских жидкостей равна котангенсу угла  на рис. 3.5.

З акон Ньютона описывает поведение многих низкомолекулярных жидкостей (воды, смазочного масла и др.).

Малоконцентрированные свободнодисперсные системы ведут себя как ньютоновские жидкости, вязкость которых в основном зависит от вязкости дисперсионной среды, увеличиваясь пропорционально объемной доле  дисперсной фазы

. (3.2)

В (3.2): – вязкость системы и дисперсионной среды соответственно; k – коэффициент формы, для сферических частиц k = 2,5.

Формулу (3.2) рекомендуют использовать для систем с .

Течение неньютоновских жидкостей. Материалы, вязкость которых зависит от скорости сдвига (прилагаемого напряжения) называют неньютоновскими (аномально вязкими или реологически сложными). К ним относят, в частности, вязкоупругие и пластические материалы. К таким системам применяют понятие эффективной, или кажущейся, вязкости _эф, равной отношению напряжения к скорости сдвига .

А номальное поведение вязкости обусловлено структурированием системы и изменением структуры при течении. В таких системах при любых скоростях сдвига протекают два противоположных процесса – разрушение пространственной сетки и ее восстановление.

При малых напряжениях ( < _к) на кривой течения имеется линейный участок (рис. 3.6, область I). Хотя развитие деформации в этом случае происходит

замедленно, сами деформации могут принимать большие значения. Такие деформации, превышающие упругие, проявляются только при разрушении пространственной структуры, когда отдельные слои перемещаются друг относительно друга, т.е. наблюдается течение материала. Скорость течения очень низкая, поэтому межчастичные связи, разрушенные в одном месте, успевают восстановиться в другом. В результате число контактов в структурной сетке остается неизменным, она фактически не изменяется (рис. 3.7, а). Структурированная система в этой области формально течет как ньютоновская жидкость с постоянной вязкостью, имеющей максимальное значение _max (рис. 3.8, область I).

Течение структурированных систем с постоянной вязкостью называется ползучестью. Напряжение _k, соответствующее началу разрушения структуры, называется критическим напряжением сдвига (пределом прочности). Для слабоструктурированных систем участок I небольшой и его практически невозможно обнаружить. Для сильноструктурированных систем область значений , при которых наблюдается ползучесть, может быть весьма значительной.

При  > _к разрушение структуры преобладает над ее восстановлением. В объеме системы остаются отдельные фрагменты структуры, агрегаты частиц и индивидуальные частицы (рис. 3.7, б). С увеличением сдвиговых напряжений структурная сетка все более разрушается, зависимость теряет линейный характер (рис. 3.6, область II), вязкость при этом резко уменьшается (рис. 3.8, область II). Переменные значения вязкости являются следствием разрушения структуры.

При больших напряжениях ( > _m), когда структура полностью разрушена и в системе остаются преимущественно индивидуальные частицы (рис. 3.7, в), вязкость становится минимальной, не зависящей от (ньютоновская вязкость) (рис. 3.6, область III). Напряжение _m, при котором структура системы практически полностью разрушена, называется максимальным (предельным) напряжением сдвига.

Т аким образом, структурированные жидкости характеризуются зависимостью эффективной вязкости от действующего напряжения и двумя областями напряжений с постоянными значениями вязкости – наибольшей предельной вязкостью практически неразрушенной структуры (рис. 3.8, область I) и наименьшей вязкостью _min предельно разрушенной структуры (рис. 3.8, область III). Переходными между и _min

являются значения переменной эффективной вязкости, убывающей с увеличением напряжения (рис. 3.8, область II). Прочность структуры можно оценить по разности _max-_min. Чем больше эта разность, тем прочнее структура.