Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 [ 8 ] 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106

Релаксация - постепенное исчезновение напряженного состояния тела,. вызванного внешними силами. В учении о сопротивлении материалов этим термином также обозначают понижение временного сопротивления твердых тел в результате продолжительного действия нагрузки.

зависят от времени действия деформирующих сил и скорости нагрузки. Примером могут служить высокоплавкие битумы, которые при малой скорости нагрузки деформируются как жидкости, а при больших скоростях -как хрупкие твердые тела. Некоторые кривые зависимости деформации от нагрузки представлены на фиг. 3.

Упомянутые особенности механических свойств не специфичны для аморфных и дисперсных тел. Они могут обнаруживаться и у реальных жидкостей и у твердых тел (см. фиг. 3), но если они наблюдаются у этих тел при больших нагрузках или в особых, иногда исключительных, состояниях, то для многих аморфных и дисперсных тел они присущи обычным деформациям. При изучении твердых и жидких тел часто можно не учитывать изменения их механических свойств с возрастанием величины нагрузки или времени ее действия. Для большинства аморфных и дисперсных тел роль этих факторов так велика, что ими нельзя пренебречь.

Учение о деформациях таких тел составляет предмет нового раздела физической механики, получившего название реологии.

Основы реологии были заложены классическими исследованиями Ф. Н. Шведова [10]. На примере разбавленных золей желатины он экспериментально показал, что жидкости могут обладать модулем упругости и периодом релаксации. Таким образом, им впервые были описаны «несовершенные» жидкости, совмещающие в себе свойства жидкостей и твердых тел. Такие тела с равным основанием можно назвать «несовершенными» твердыми телами. В современной реологии существует два направления: одно стремится разработать законы деформации таких тел, исходя из законов течения жидкостей, другое -из законов деформации твердых тел.

Понятие о периоде релаксации было введено в науку Максвеллом. Рассматривая соотношение между относительной деформацией тела Ае и действующей на него внешней силой F, он пришел к следующему уравнению:

где Е - модуль Юнга; t - время действия силы F; г] - вязкость.

Первое слагаемое правой части уравнения учитывает упругость тела,

второе - его вязкость. Отношение имеет размерность времени и носит

название периода релаксации Т.

Из уравнения (I, 13) можно получить следующее соотношение:

Подставляя время релаксации Ту имеем:

Если Г1 мала, то Т тоже мало и больше единицы даже при малом

времени действия силы, т. е. будет иметь место необратимая деформация. Если ri велика, то - мало и отношение -=- близко к единице, т. е. де-формация будет упругой.

Впрочем и в этом случае деформация может быть необратимой, если сила F действует продолжительное время {t велико). Известно свойство многих твердых упругих тел медленно деформироваться под длительным действием нагрузок. Это свойство получило название ползучести или криппа.

2« Графики зависимости деформации от нагрузки. Реологические тела. Для характеристики деформации в реологии широко применяются графики, изображающие зависимость деформации от нагрузки, в частности, графики зависимости градиента скорости течения 5 от напряжения сдвига г. Такие кривые носят название реологических кривых консистенции.

Понятие «консистенция» не имеет вполне четкого физического смысла. В реологии оно означает свойство материалов сопротивляться необратимым изменениям формы и измеряется отношением величины деформации (в частности, расхода жидкости) к напряжению. Неопределенность этого понятия зависит от различных видов зависимости S от г.

Часто для изображения кривой консистенции вместо градиента скорости пользуются расходом Q в капиллярном вискозиметре или числом оборотов цилиндра в ротационном вискозиметре Л. Вид функций S = /(т), Q = f(p) и N = /(G) (р - разность давлений в капиллярном вискозиметре; G-вес груза, вращающего цилиндр в ротационном приборе) одинаков, но первая существенно отличается от остальных тем, что она выражает зависимость диференциальной величины, в то время как Q и N являются интегральными величинами.

Основные типы реологических кривых консистенции представлены на фиг. 8. Кривая / характеризует жидкость, подчиняющуюся закону Ньютона, или, как ее называют, ньютоновскую жидкость. Деформация (течение) начинается с самого малого напряжения сдвига и при этом градиент скорости пропорционален напряжению. Из формулы (1, 7) следует, что вязкость определяется котангенсом угла наклона реологической кривой. 1] = ctga, откуда видно, что уменьшению утла а соответствует увеличение вязкости.

Кривая 6 отвечает телу, обладающему свойствами, противоположными свойствам ньютоновской жидкости. Она характеризует идеально хрупкое твердое тело. До некоторого предела напряжения деформации нет (здесь не градиент скорости, а относительная деформация), но после достижения критической величины

тело разрушается и деформация его уже не зависит от напряжения.

Все остальные кривые консистенции укладываются между этими двумя крайними типами.

Фиг. 8. Основные типы реологических кривых консистенции.

Кривая 2 характеризует реологическое тело, в котором деформация начинается лишь после того, как напряжение достигнет некоторого предела, получившего название предельного напряжения сдвига е. Выше предельного напряжения сдвига величина деформации пропорциональна напряжению, как и у ньютоновской жидкости. В литературе это тело часто называют бингамовым телом. М. П. Вола-рович развил теорию деформации этого тела и приложил ее ко многим объектам, поэтому правильнее называть его телом Бингама-Вола ровича.

Очевидно, что кривая 2 изображает деформацию пластичного тела. Для описания зависимости его деформации от напряжения необходимы два параметра. Это видно из сопоставления кривых 7 и 2 (фиг. 9). Если сравнить вязкость при напряжении га, то может оказаться, что вязкость тела 7 (угол < угла а2), а при 2 больше вязкости тела 7

Фиг. 9. Зависимость градиента скорости от напряжения реологических тел Бингама-Воларовича.

больше, чем вязкость тела 2 напряжении вязкость тела (угол 1 > угла /а).

Заменив в уравнении Ньютона вязкость величиной, обратной ей, названной текучестью, и введя вторую постоянную, Бингам