Вязкоупругость

Вязкоупругость

Вязкоупругость в материаловедении

В материаловедении и механике сплошных сред существует важное понятие — вязкоупругость. Это свойство материалов проявляется в том, что они при деформации демонстрируют как вязкие, так и упругие характеристики. Вязкие материалы, такие как вода, сопротивляются сдвиговому течению и со временем деформируются под действием напряжения. В отличие от них, эластичные материалы способны деформироваться при растяжении, но сразу же возвращаются в свое исходное состояние после снятия нагрузки.

Вязкоупругие материалы обладают элементами обоих этих свойств, что позволяет им демонстрировать деформацию, зависящую от времени. Эластичность обычно возникает из-за растяжения связей в упорядоченных твердых телах, тогда как вязкость связана с диффузией атомов или молекул внутри аморфных материалов.

Исторический контекст

В XIX веке такие выдающиеся физики, как Джеймс Клерк Максвелл, Людвиг Больцман и лорд Кельвин, активно исследовали явления ползучести и восстановление стекол, металлов и резины. Вязкоупругость стала предметом более глубокого изучения в конце XX века, когда были разработаны синтетические полимеры, которые нашли широкое применение в различных отраслях. Расчеты вязкоупругости зависят от переменной вязкости, обозначаемой как η. Обратная величина η известна как текучесть, φ. Значение этих параметров может изменяться в зависимости от температуры или быть заданным для конкретных приложений, например, для демпферов.

В зависимости от изменения скорости деформации в ответ на напряжение, вязкость может классифицироваться как линейная, нелинейная или пластическая. Линейная реакция означает, что напряжение пропорционально скорости деформации, и такие материалы называются ньютоновскими. Нелинейные реакции, в свою очередь, характерны для неньютоновских жидкостей, где зависимость между напряжением и деформацией не является прямолинейной. Интересно, что некоторые материалы демонстрируют тиксотропное поведение, когда вязкость уменьшается при постоянной скорости сдвига. Пластическая деформация происходит, когда напряжение не зависит от скорости деформации.

Примеры вязкоупругих материалов включают аморфные и полукристаллические полимеры, биополимеры, а также металлы при высоких температурах и битумные материалы. Растрескивание может происходить, когда деформация применяется слишком быстро и превышает предел упругости. Связки и сухожилия также являются вязкоупругими, и степень их повреждения зависит как от скорости изменения длины, так и от приложенной силы.

Упругое и вязкоупругое поведение

В отличие от чисто упругих веществ, вязкоупругие материалы имеют как упругую, так и вязкую составляющую. Вязкость придает материалу зависимость скорости деформации от времени. Чисто эластичные материалы не теряют энергию (тепло) при приложении нагрузки и ее снятии, в то время как вязкоупругие материалы рассеивают энергию, что приводит к гистерезису на кривой растяжения. Площадь петли на этой кривой равна энергии, теряемой за цикл нагружения. Вязкость, как сопротивление термически активированной пластической деформации, приводит к потере энергии в ходе циклов нагрузки, что не характерно для чисто упругих материалов.

Вязкоупругость можно рассматривать как молекулярную перестройку. Когда к вязкоупругому материалу, например, полимеру, прикладывается напряжение, длинные полимерные цепи меняют свое положение. Это движение называется ползучестью. Полимеры остаются твердыми даже при перестройке их цепей, и когда напряжение снимается, накопленные обратные напряжения заставляют полимер вернуться к своей первоначальной форме. Таким образом, материал ползет, что дает префикс «вязко-«, и полностью восстанавливается, что дает суффикс «-эластичность».

Линейная и нелинейная вязкоупругость

Линейная вязкоупругость наблюдается, когда функция реакции на ползучесть и нагрузку разделима. Все линейные вязкоупругие модели могут быть представлены уравнением Вольтерры, связывающим напряжение и деформацию.