Материальная система обладает всеми реологическими свойствами.
Основными из них являются упругость, пластичность, вязкость и прочность, которые проявляются при сдвиговой деформации, поэтому она считается наиболее важной в реологических исследованиях.
Таким образом, характер и величина деформации зависят от свойств материала тела, его формы и способа приложения внешних сил.
Идеальные законы реологии
В реологии механические свойства материалов представляют в виде реологических моделей, в основе которых лежат три основных идеальных закона, связывающие напряжения с деформацией. Им соответсвуют три элементарные модели (элемента) идеализированных материалов, отвечающих основным реологическим характеристикам (упругость, вязкость, пластичность).
Идеально упругое тело Гука представляют в виде спиральной пружины (рис. 4).
Рис. 3. Модель идеально упругого тела Гука
В соответствии с законом Гука деформация в упругом теле пропорциональна напряжению сдвига:
(15)
где P – напряжение сдвига; γ- деформация; E – модуль упругости (модуль Юнга).
Модуль Юнга является характеристикой материала (его структуры), количественно отражающий его упругие свойства (жесткость).
После снятия нагрузки идеально упругое тело Гука мгновенно возвращается в первоначальное состояние. Деформации в упругих телах происходят со скоростью, равной скорости распространения звука в них.
Идеально вязкое тело Ньютона изображают в виде поршня, помещенного в цилиндре с жидкостью (рис.5).
Согласно закону Ньютона напряжение сдвига пропорционально скорости деформации:
(16)
где η – вязкость жидкости; dγ/dτ – скорость деформации.
Рис. 4. Модель идеально вязкой жидкости Ньютона
Реологические свойства идеальных жидкостей однозначно характеризуются вязкостью. Величина, обратная вязкости, называется текучестью и характеризует подвижность жидкости.
Величина деформации жидкости зависит от времени действия напряжения τ:
(17)
т.е. деформация при постоянном напряжении пропорциональна времени действия этого напряжения. Идеальные жидкости способны течь (деформироваться) под действием самых малых внешних нагрузок до тех пор, пока они действуют.
Идеально пластическое тело Сен-Венана – Кулона изображают как находящееся на плоскости твердое тело (рис. 6), при движении которого трение постоянно и не зависит от нормальной силы.
В основе этой модели лежит закон внешнего (сухого) трения, в соответствии с которым деформация отсутствует, если напряжение сдвига меньше некоторой величины PT, называемой пределом текучести, т.е. при P < PT γ = 0.
Рис. 6. Модель идеально пластического тела Сен-Венана - Кулона
Если напряжение достигнет предела текучести, то деформация идеально пластического тела не имеет предела и течение происходит с любой скоростью, т.е. при P = PT γ > 0.Из этой зависимости следует, что к элементу сухого трения (идеально пластическому телу) не может быть приложено напряжение, превышающее предел текучести. Величина PT отражает предел прочности структуры тела. Структура идеально пластического тела при P = PT разрушается, после чего сопротивление напряжению полностью отсутствует.
Сравнение идеальных реологических моделей показывает, что энергия, затраченная на деформацию упругого тела Гука, возвращается при разгрузке, а при деформации вязкого и пластического тел энергия превращается в теплоту. В соответствии с эти тело Гука принадлежит к консервативным системам, а два других – к диссипативным.