首先,我们来看刚性物体,简称刚体。刚体是指无论受到多大的外力,形状和大小都保持不变的物体。但物体在受到一定的外力作用时,总会变形,甚至流动。流变学(rheology)是研究物体变形和流动的一门学科。
1.弹性物体
物体在受到外力时发生变形,去掉外力又恢复原状;应力σ、应变ε符合σ=εE或剪切应力τ、剪应变γ符合τ=Gγ(E、G分别为弹性模量、剪切模量)。
2.黏性流动
物质在受到剪切应力τ的作用时,产生一定的流动速度v。若τ与速度梯度dv/dx成正比:
图10.11 流动曲线示意图(dv/dx为速度梯度)
则这种流动为黏性流动(viscous flow)。式(10-32)中的比例常数η为物质黏度,它表示物质在流动过程中的黏性。黏性主要是由于物质原子等质点间存在一定的作用而引起的。运动较快的质点受到较慢质点的吸引而减速、运动较慢的质点受到较快质点的吸引而增速。尽管如此,物质在运动过程中,各层质点的运动速度还是不一样,即存在速度梯度。在剪切应力作用下,高温玻璃相、多晶材料晶界处会发生不同程度的黏性流动。在热压过程中,粉末的烧结致密化可看成是黏性流动。符合式(10-32)的物体称为牛顿型流体(Newtonian fluids)。这种物体受到剪切应力作用而开始流动,且速度梯度与剪切应力成正比,如图10.11所示。但应力消除后,变形不再复原。(www.daowen.com)
然而很多实际物体并不具有牛顿型流体的行为。这些物体的速度梯度与剪切应力不成正比,而被称为非牛顿型流体。非牛顿型流体的流动种类较多,我们介绍其中两种。
宾汉型流动(Bingham flow)。物体所受剪应力τ必须大于流动极限值τ0后才开始流动。开始流动后的情形又与牛顿型相同。这种流动可表示成
新拌混凝土的流动接近宾汉型。
塑性流动(plastic flow)。所受剪应力τ必须超过某一最低值——屈服值τ1时,物体才可流动。当剪应力达到一定值(τ3)时,物体也发生牛顿型流动,属于这类流动的物体有泥浆、高温烧结时的硅酸盐材料。此外,晶界滑移也属于这类流动。
3.黏弹性
在某些特定情况下,一些非晶体和多晶体在受到较小的应力作用时,可同时表现出弹性和黏性。人们称这些物体具有黏弹性(vicoelasticity)。烧结中的粉末可视为黏弹性体而用流变学理论加以讨论。
对具有黏弹性的物体施加应力σ或剪切应力τ时,物体的应变随时间而增加,这种现象称为蠕变(creep)。研究发现,烧结蠕变是金属和陶瓷粉末的一种物质迁移机制。
综上所述,烧结的流动理论涉及的物质流动主要是黏性流动、塑性流动和蠕变流动。
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