流变学的研究方法

流变学从一开始就是作为一门实验基础学科发展起来的,因此实验是研究流变学的主要方法之一。它通过宏观试验,获得物理概念,发展新的宏观理论。例如利用材料试件的拉压剪试验,探求应力、应变与时间的关系,研究屈服规律和材料的长期强度。通过微观实验,了解材料的微观结构性质,如多晶体材料颗粒中的缺陷、颗粒边界的性质,以及位错状态等基本性质,探讨材料流变的机制。

对流体材料一般用粘度计进行试验。比如,通过计算球体在流体中因自重作用沉落的时间,据以计算牛顿粘滞系数的落球粘度计法;通过研究的流体在管式粘度计中流动时,管内两端的压力差和流体的流量,以求得牛顿粘滞系数和宾厄姆流体屈服值的管式粘度计法;利用同轴的双层圆柱筒,使外筒产生一定速度的转动,利用仪器测定内筒的转角,以求得两筒间的流体的牛顿粘滞系数与转角的关系的转筒法等。

对弹性和粘弹性材料的实验方法分为蠕变试验、应力松弛试验和动力试验三种:

对材料进行蠕变实验一般有对材料试件施加恒定的拉力,以研究材料的拉伸蠕变性能的拉伸法;在专门的剪力仪中对材料施加恒定的剪力,研究材料的剪切蠕变性能;利用三轴仪,对材料试件施加轴向应力和静水压力,研究材料的单向或三向压缩蠕变性能;利用扭转流变仪,对材料试件施加恒定的扭力,研究材料的扭转蠕变性能;以及在粱形试件上施加恒定的弯矩,研究材料挠度蠕变性能的弯曲法等。

应力松弛实验是将材料试件置于应力松弛试验仪上,使试件产生一恒定的变形,测定试件所受应力随时间的衰减,研究材料的流变性能,也可以计算材料松弛时间的频谱。这种试验也可在弯曲流变仪、扭转流变仪、压缩流变仪上进行,此法适用于高分子材料和金属材料。

除蠕变和应力松弛这类静力试验外,还可进行动力试验,即对材料试件施加一定频谱范围内的正弦振动作用,研究材料的动力效应。此法特别适用于高分子类线性粘弹性材料。通过这种试验可以求得两个物理量:由于材料发生形变而在材料内部积累起来的弹性能量;每一振动循环的能量耗散。动力试验可以测量能量耗散和频率的关系,通过这个规律可以与蠕变试验比较分析,建立模型。

在上述的各种试验工作中,还要研究并应用各种现代测量原理和方法,大型电子计算机的出现对流变学领域的研究产生了深远的影响,如对于非线性材料的大应变、大位移的复杂课题已用有限元法或有限差分方法进行研究。

随着经济和工业化的发展,流变学将有广阔的发展领域,并已逐步渗透到许多学科而形成相应的分支,例如高分子材料流变学、断裂流变力学、土流变学、岩石流变学以及应用流变学等等。在理论研究上,已超出均匀连续介质的概念,开始探索离散介质、非均匀介质以及非相容弹性介质的流变特性。实验原理和测试技术的研究以及电子计算机的应用,将在流变学的发展中显示重要的地位和发挥巨大的作用。

流变学名词中的一些中英文对译

假塑性pseudoplastic

拉胀性auxiticity

牛顿流体Newtonian fluid

非牛顿流体non-Newtonian fluid

宾汉姆流体Bingham fluid

冷流cold flow

牛顿剪切黏度Newtonian shear viscosity

剪切黏度shear viscosity

表观剪切黏度apparent shear viscosity

剪切变稀shear thinning

触变性thixotropy

塑性形变plastic deformation

塑性流动plastic flow

体积弛豫volume relaxation

拉伸黏度extensional viscosity

黏弹性viscoelasticity

线性黏弹性linear viscoelasticity

非线性黏弹性non-linear viscoelasticity

蠕变creep