Сдвиговые свойства

Как уже отмечалось выше, сдвиговые свойства представляют собой основную группу свойств. Характеристики, определяющие эти свойства, можно использовать для самых различных целей – от оценки качества продукта до расчета трубопроводов, машин и аппаратов. Эти свойства проявляются при воздействии на продукт касательных напряжений (сил).

К основным сдвиговым свойствам слабоструктурированных и вязко-пластичных систем, когда τ > τ ₀, относятся статическое и динамическое предельное напряжение сдвига, эффективная и пластическая вязкость, пластичность структуры для вязко-пластичных систем и динамическая вязкость для слабоструктурированных систем.

Статическое предельное напряжение сдвига (τ ₀, Па) – это усилие, приходящееся на единицу поверхности продукта, при превышении которого продукт начинает течь, т.е. напряжение, по достижению которого в системе начинают развиваться необратимые деформации.

Динамическое предельное напряжение сдвига (τ _0д, Па) – напряжение, равное отрезку, отсекаемому на оси абцисс прямой зоны вязко-пластичного течения в координатах градиента скорости – напряжение сдвига.

Эффективная вязкость – это так называемая «кажущаяся» вязкость, которая является переменной величиной и зависит от градиента скорости продукта (, с^–1).

Эффективная вязкость является итоговой переменной характеристикой, описывающей равновесное состояние между процессами восстановления и разрушения структуры в установившемся потоке. Она характеризуется углом наклона прямой линии, соединяющей начало координат с точкой, для которой определяется ее значение. С увеличением напряжения сдвига эффективная вязкость уменьшается, т.е. угол наклона возрастает на кривой течения в зоне лавинообразного разрушения структуры (зона 3 – 4, рис.1.7). Точки а, в, с – соответствующие определенному значению τ (τ _а, τ _в, τ _с), соединим с точкой 0, тогда эффективная вязкость в каждой точке характеризуется углом наклона прямой: ; ; . Зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига в логарифмических шкалах (рис. 1.8) подчиняется следующей зависимости:

(1.15)

где: – эффективная вязкость при единичном значении относительного (безразмерного) градиента скорости: ( с^–1);

m – темп разрушения структуры, т.е. tg угла наклона логарифмической прямой.

Пластическая вязкость – величина постоянная, не зависящая от напряжения сдвига и в осях координат градиент скорости – напряжение сдвига представляет собой ctg α прямой, не выходящей из начала координат и отсекающей на оси τ отрезок, равный статическому (соответствующая η ₀) или динамическому (соответствующая η _m) предельному напряжению сдвига:

наибольшая (шведовская) пластическая вязкость:

, Па ∙ с; (1.16)

наименьшая (бингамовская) пластическая вязкость:

, Па ∙ с; (1.17)

Пластичность структуры – это отношение статического предельного напряжения сдвига к пластической вязкости:

, с^–1 (1.18)

Динамическая вязкость ньютоновской или структурированной жидкости характеризуется углом наклона прямой , выходящей из начала координат, т.е. τ ₀ = 0.

Структурно-механические свойства в области практически неразрушенных структур, когда τ < τ ₀, можно характеризовать законом Гука. К ним относятся: условно-мгновенный модуль упругости, эластичный и равновесный модуль, период релаксации. Эти свойства определяют из диаграммы кинетики относительной деформации γ при действии постоянного напряжения сдвига τ,когда происходит ползучесть (рис. 1.9).

Диаграмма кинетики деформации складывается из двух кривых: ОАВС – нагрузки (действия постоянного напряжения сдвига τ) и CDF – разгрузки (деформация после снятия нагрузки). Момент снятия нагрузки устанавливают после появления практически прямолинейного участка на кривой АВС.

После снятия нагрузки за 0,5 – 1,0 с исчезает условно-мгновенная истинно упругая деформация γ ₀. На диаграмме полное развитие деформации γ _m к моменту снятия нагрузки выражает уравнение:

γ _m = γ ₀ + γ _э + γ _η, (1.19)

где: (γ ₀ + γ _э = γ _у) – упругая деформация, спадающая самопроизвольно после снятия нагрузки;

γ _η – остаточная деформация;

γ _э – деформация упругого последействия (эластическая).

Остаточная деформация γ _η, которая образуется после разгрузки, не исчезает во времени. После выхода на прямолинейный участок кривой разгрузки она остается практически постоянной величиной. Это выражается в течении системы, а скорость зависит от ее вязкости.

Деформация упругого последействия или замедленно развивающаяся (эластическая) является обратимой. Обусловлена она структурой реальных тел, в которых наряду с релаксацией, обратимость напряжений производит перераспределение упругих деформаций по времени в различных частях структуры.

Условно-мгновенный модуль упругости представляет собой отношение напряжения τ к мгновенно упругой составляющей деформации сдвига γ ₀. Упругость тел при сдвиге характеризуется модулем упругости второго рода G _ум:

G _ум = τ / γ ₀. (1.20)

Эластичный модуль G _э – это отношение τ к упругой γ _у деформации, за вычетом мгновенно упругой составляющей γ ₀, т.е. к эластической деформации γ _э:

G _э = τ / (γ _у – γ ₀) = τ / γ _э. (1.21)

Равновесный модуль – это отношение напряжения τ к общей деформации γ _m, где нельзя разграничить упругую и эластичную деформации:

G = τ / γ _m. (1.22)

Период релаксации – это продолжительность релаксирования (восстановления) напряжения при постоянной деформации или деформации после снятия напряжения (t _р, с).

Для измерения характеристик, определяющих сдвиговые свойства продуктов, применяют вискозиметры различных конструкций и принципов действия. От выбора измерительного узла для конкретного продукта зависит получение достоверных результатов, что обеспечивает получение правильных расчетных данных.