В чем суть явления релаксации напряжения?

Представим, что стержень мгновенно растягивается некоторой силой до некоторой длины, затем новая длина фиксируется и поддерживается неизменной. При этом в ходе всего опыта измеряется усилие (напряжение), необходимое для поддержания (сохранения) фиксированной длины стержня.

Для случаев жидкости и упругого тела ответ вполне очевиден. Если скорость деформации отсутствует, то в соответствии с уравнением Ньютона сил сдвига (внутренних напряжений) в жидкости существовать не может. Если же зафиксирована деформация упругого тела, то в соответствии с уравнением Гука внутреннее напряжение в теле должно сохраняться постоянным сколь угодно долго.

Приведённые рассуждения справедливы для многих материалов. Однако наряду с этим существует множество технологических материалов, в которых наблюдается медленное снижение силы (напряжения). Это явление называют релаксацией напряжений. Например, релаксация возникает в болтах, соединяющих фланцы горячего трубопровода. Болты затягивают туго, но через некоторое время их надо подтягивать.

Напряжения в жидкости релаксируют от начального значения σ₀ до нуля, поскольку в неподвижной жидкости напряжения сохраняться не могут (рис.11). Напряжения в твёрдом теле могут уменьшаться от начального значения, но при этом сохраняются остаточные (равновесные) напряжения сколь бы долго ни продолжалась релаксация.

Рис. 11. Релаксация напряжений в жидкости (1) и в твердом теле (2).

Это различие в поведении жидкостей и твёрдых тел при релаксации также может быть принято в качестве определения этих двух типов реологических сред. Однако после приложения к телу нагрузки релаксация может происходить настолько медленно, что наблюдатель может ошибочно зафиксировать некоторое напряжение как остаточное, а оно, тем не менее, продолжает релаксировать.

Релаксируют все материалы: вода, стекло, металлы и горные породы. Время релаксации для воды очень мало – 10^-11 с; для стекла 100 лет; горные породы имеют время релаксации, измеряемое тысячелетиями.

Таким образом, понятия «жидкое тело» и «твёрдое тело» -действительно относительные понятия. Результат зависит от продолжительности наблюдения и температуры. Зимой асфальт «твёрдый», летом он плавится, и на нём остаются следы от колес автомобиля. Это значит, что время релаксации асфальта снижается в сотни раз.

Таким образом, можно подытожить: при рассмотрении реальных жидкостей с нелинейной кривой течения их можно разбить на три группы:

1) системы, для которых скорость сдвига в каждой точке представляет собой некоторую функцию только напряжения в той же точке. К этой группе относятся неньютоновские материалы, течение которых не зависит от времени;

2) системы в которых связь между напряжением и скоростью сдвига зависит от времени действия напряжения или от предыстории жидкости (тиксотропные и реопектические жидкости);

3) системы, обладающие свойствами как упругого твердого тела, так и жидкости и частично проявляющие упругое восстановление формы после снятия напряжения (вязкоупругие жидкости).