12.8. Реологические свойства твердообразных тел

Для твердообразных, особенно конденсацинно-кристаллизационных структур течение не является типичным свойством. Для них реологические зависимости строят в координатах: деформация - напряжение, а не скорость деформации - напряжение. Типичный вид зависимости деформации от напряжения для твердых тел показан на рис.12.12.

Рис.12.12. Зависимость деформации от напряжения для твердообразных тел.

На участке ОА деформация пропорциональна напряжению в соответствии с законом Гука.

До напряжения размер и форма тела восстанавливаются после снятия нагрузки. Напряжение соответствует пределу текучести. С увеличением напряжения появляется пластичность, а после его снятия – остаточные деформации. При напряжении происходит течение. После предела прочности происходит разрушение тела.

Для технологов, занимающихся получением материалов, очень важно знать механизм образования тех или иных структур, а также способы регулирования их свойств.

Прочность является характеристикой микроскопических сил сцепления и определяется числом контактов, приходящихся на единицу поверхности, и прочностью отдельного контакта :

,

где - напряжение, необходимое для разрыва единичного контакта;

– число контактов, пропорционально поверхности контакта, последняя пропорциональна дисперсности системы. Следовательно, увеличение дисперсности увеличивает прочность структуры.

В свою очередь прочность контакта определяется интенсивностью межчастичного взаимодействия. Действие Ван-дер-ваальсовых сил притяжения между частицами делает структуру подвижной. Химические связи обеспечивают жесткость структуры.

Преобладание той или иной структуры в материале связано также с наличием прослоек между частицами и от различных активных добавок.

Прочность различных тел оказывается во много раз меньше теоретически рассчитанной величины. Это связано с дефектностью структуры (микротрещины, внутренние напряжения и т.д.). При введении в такие системы растворов ПАВ последние, благодаря их поверхностной подвижности, проникают к вершинам трещин, снижают поверхностное натяжение, уменьшая работу образования новой поверхности. Таким образом, облегчается деформация и разрушение тела. В этом заключается эффект Ребиндера – адсорбционное понижение прочности.

Кристаллизационные структуры в твердых дисперсных системах могут возникнуть при переходе металлов и сплавов из жидкого расплава в твердое. При охлаждении начинается образование зародышей. Рост числа и размеров кристалликов приводит к их срастанию. Чем выше переохлаждение и чем больше скорость охлаждения, тем быстрее происходит возникновение зародышей.

Металл с мелкозернистой структурой обладает высокими механическими свойствами. Изменения механических свойств металлов и сплавов достигается добавлением легирующих добавок.

Одним из важнейших технологических процессов получения изделий из самых разнообразных материалов является спекание. С физико-химической точки зрения спекание представляет собой сложный многоступенчатый кинетический процесс приближения дисперсной к равновесию. Одно из наиболее характерных внешних проявлений процесса спекания порошкового пористого тела – изменение линейных размеров. Поэтому можно представить спекание как некоторый макроскопический процесс объемной деформации пористого тела, осуществляющийся путем течения вещества в твердой фазе. Спекание – это типичный пример релаксационного процесса, само протекание которого обусловлено стремлением дисперсной среды к равновесному состоянию. Процессы спекания лежат в основе технологии керамики, порошковой металлургии, технологии пластических масс. Как правило, для проведения спекания используют изготовленные путем формования массы с коагуляционной структурой. Существуют мокрые и сухие способы формования. В порошковой металлургии используют сухой способ. Важнейшей характеристикой при формовании порошка является его насыпная масса. Обычно при формовании металлических порошков объем заготовки по отношению к объему свободной упаковки уменьшается в 3-4 раза. Качество материала заготовки во многом определяется равномерным распределением частиц дисперсной формы по всему объему. Добавление адсорбирующихся веществ в суспензиии смачивающих жидкостей в порошки способствует образованию плотной коагуляционной структуры с равномерным распределением частиц по объему. Для более равномерного распределения частиц по объему в некоторых производствах, например, при производстве бетона используют вибрационное формование. Частицы легко перемещаются по объему смеси и равномерно распределяются.

В процессе спекания непрочные коагуляционные структуры переходят в прочные конденсационно-кристаллизационные структуры. Для полимеров также свойственно образование структур, подобных коагуляционным и конденсационно-кристаллизационным структурам. Возникновение таких структур связано с гибкостью молекул полимеров и энергией макромолекулярного взаимодействия. Так, для неполярных полимеров с увеличением молекулярной массы когезионные силы растут и, соответственно , повышается твердость. то есть образуется как бы структура. Полимеры с такой структурой текут с повышением температуры, проявляют высокие эластические свойства, то есть такая структура ведет себя подобно коагуляционной структуре. С ростом полярности макромолекулы увеличивается межмолекулярное взаимодействие, увеличивается твердость.

В полимерах с химическими межмолекулярными связями образуется пространственная сетка и их свойства соответствуют конденсационным структурам. Для регулирования структурно-механических свойств в полимерах используют различные добавки, например пластификаторы, которые придают структуре большую подвижность, понижают вязкость полимерных систем и повышают эластичность. Наполнители, введенные в полимеры, в свою очередь, влияют на прочность полимерных систем.

Для обеспечения соответствующих структурно-механических свойств изделия используют композиционные материалы, которые состоят из нескольких различных твердых фаз. Дисперсную фазу называют наполнителем, дисперсионную среду, если это полимер, связующим. Композициооные материалы «твердое в твердом» являются ярко выраженными гетерогенными дисперсными системами.

Очень важно, что композиционный материал не является простой комбинацией компонентов. Он обладает специфичными свойствами, связанными с адгезией наполнителя и связующего. Большое значение имеет форма и размеры частиц наполнителя. В закономерностях изменения свойств композиционных материалов много общего со структурообразованием в суспензиях. Знание общих принципов механизма структурообразования и влияния различных факторов дает широкие возможности регулировать такие свойства композиционного материала, как прочность, упругость, эластичность, пластичность. Примерами композиционных материалов могут служить стеклокристаллические материалы (ситаллы), различные виды резин, армированные полимеры (стеклопластики), некоторые металлические композиционные материалы на основе алюминия с введением оксида алюминия.

Резюмируя, можно сказать, что реология вовлекает в круг своих проблем новые идеи, новые материалы, способствует возникновению и реализации новых подходов к созданию материалов с улучшенными свойствами.