流變學的發(fā)展簡史
流變學是力學的一個新分支，它主要研究材料在應力、應變、溫度濕度、輻射等條件下與時間因素有關(guān)的變形和流動的規(guī)律。
流變學出現(xiàn)在20世紀20年代。學者們在研究橡膠、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金屬等工業(yè)材料；巖石、土、石油、礦物等地質(zhì)材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明這些材料的復雜特性，于是就產(chǎn)生了流變學的思想。英國物理學家麥克斯韋和開爾文很早就認識到材料的變化與時間存在緊密聯(lián)系的時間效應。
麥克斯韋在1869年發(fā)現(xiàn)，材料可以是彈性的，又可以是粘性的。對于粘性材料，應力不能保持恒定，而是以某一速率減小到零，其速率取決于施加的起始應力值和材料的性質(zhì)。這種現(xiàn)象稱為應力松弛。許多學者還發(fā)現(xiàn)，應力雖然不變，材料棒卻可隨時間繼續(xù)變形，這種性能就是蠕變或流動。
經(jīng)過長期探索，人們終于得知，一切材料都具有時間效應，于是出現(xiàn)了流變學，并在20世紀30年代后得到蓬勃發(fā)展。1929年，美國在賓厄姆教授的倡議下，創(chuàng)建流變學會；1939年，荷蘭皇家科學院成立了以伯格斯教授為首的流變學小組；1940年英國出現(xiàn)了流變學家學會。當時，荷蘭的工作處于地位，1948年國際流變學會議就是在荷蘭舉行的。法國、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利時等國也先后成立了流變學會。
流變學的發(fā)展同世界經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)化進程密切相關(guān)?，F(xiàn)代工業(yè)需要耐蠕變、耐高溫的高質(zhì)量金屬、合金、陶瓷和高強度的聚合物等，因此同固體蠕變、粘彈性和蠕變斷裂有關(guān)的流變學迅速發(fā)展起來。核工業(yè)中核反應堆和粒子加速器的發(fā)展，為研究由輻射產(chǎn)生的變形打開新的領(lǐng)域。
在地球科學中，人們很早就知道時間過程這一重要因素。流變學為研究地殼中極有趣的地球物理現(xiàn)象提供了物理-數(shù)學工具，如冰川期以后的上升、層狀巖層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等。對于地球內(nèi)部過程，如巖漿活動、地幔熱對流等，現(xiàn)在則可利用高溫、高壓巖石流變試驗來模擬，從而發(fā)展了地球動力學。
在土木工程中，建筑的土地基的變形可延續(xù)數(shù)十年之久。地下隧道竣工數(shù)十年后，仍可出現(xiàn)蠕變斷裂。因此，土流變性能和巖石流變性能的研究日益受到重視。
流變學的研究內(nèi)容
流變學研究內(nèi)容是各種材料的蠕變和應力松弛的現(xiàn)象、屈服值以及材料的流變模型和本構(gòu)方程。
材料的流變性能主要表現(xiàn)在蠕變和應力松弛兩個方面。蠕變是指材料在恒定載荷作用下，變形隨時間而增大的過程。蠕變是由材料的分子和原子結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整引起的，這一過程可用延滯時間來表征。當卸去載荷時，材料的變形部分地回復或完全地回復到起始狀態(tài)，這就是結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一現(xiàn)象。
材料在恒定應變下，應力隨著時間的變化而減小至某個有限值，這一過程稱為應力松弛。這是材料的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一種現(xiàn)象。
蠕變和應力松弛是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部顯現(xiàn)。這種可觀測的物理性質(zhì)取決于材料分子(或原子)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特性。因此在一定應力范圍內(nèi)，單個分子(或原子)的位置雖會有改變，但材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特征卻可能不會變化。
當作用在材料上的剪應力小于某一數(shù)值時，材料僅產(chǎn)生彈性形變；而當剪應力大于該數(shù)值時，材料將產(chǎn)生部分或完全永久變形。則此數(shù)值就是這種材料的屈服值。屈服值標志著材料有完全彈性進入具有流動現(xiàn)象的界限值，所以又稱彈性極限、屈服極限或流動極限。同一材料可能會存在幾種不同的屈服值，比如蠕變極限、斷裂極限等。在對材料的研究中一般都是先研究材料的各種屈服值。
在不同物理條件下(如溫度、壓力、濕度、輻射、電磁場等)，以應力、應變和時間的物理變量來定量描述材料的狀態(tài)的方程，叫作流變狀態(tài)方程或本構(gòu)方程。材料的流變特性一般可用兩種方法來模擬，即力學模型和物理模型：
在簡單情況(單軸壓縮或拉伸，單剪或純剪)下，應力應變特性可用力學流變模型描述。在評價蠕變或應力松弛試驗結(jié)果時，利用力學流變模型有助于了解材料的流變性能。這種模型已用了幾十年，它們比較簡單，可用來預測在任意應力歷史和溫度變化下的材料變形。
力學模型的流變模型沒有考慮材料的內(nèi)部物理特性，如分子運動、位錯運動、裂紋擴張等。當前對材料質(zhì)量的要求越來越高，如高強度超韌性的金屬、高強度耐高溫的陶瓷、高強度聚合物等。對它們的研究就必須考慮材料的內(nèi)部物理特性，因此發(fā)展了高溫蠕變理論。這個理論通過考慮了固體晶體內(nèi)部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對材料流變性能的影響，表達出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理常數(shù)，亦即材料的物理流變模型。
流變學的研究方法
流變學從一開始就是作為一門實驗基礎(chǔ)學科發(fā)展起來的，因此實驗是研究流變學的主要方法之一。它通過宏觀試驗，獲得物理概念，發(fā)展新的宏觀理論。例如利用材料試件的拉壓剪試驗，探求應力、應變與時間的關(guān)系，研究屈服規(guī)律和材料的長期強度。通過微觀實驗，了解材料的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如多晶體材料顆粒中的缺陷、顆粒邊界的性質(zhì)，以及位錯狀態(tài)等基本性質(zhì)，探討材料流變的機制。
對流體材料一般用粘度計進行試驗。比如，通過計算球體在流體中因自重作用沉落的時間，據(jù)以計算牛頓粘滯系數(shù)的落球粘度計法；通過研究的流體在管式粘度計中流動時，管內(nèi)兩端的壓力差和流體的流量，以求得牛頓粘滯系數(shù)和賓厄姆流體屈服值的管式粘度計法；利用同軸的雙層圓柱筒，使外筒產(chǎn)生一定速度的轉(zhuǎn)動，利用儀器測定內(nèi)筒的轉(zhuǎn)角，以求得兩筒間的流體的牛頓粘滯系數(shù)與轉(zhuǎn)角的關(guān)系的轉(zhuǎn)筒法等。
對彈性和粘彈性材料的實驗方法分為蠕變試驗、應力松弛試驗和動力試驗三種：
對材料進行蠕變實驗一般有對材料試件施加恒定的拉力，以研究材料的拉伸蠕變性能的拉伸法；在專門的剪力儀中對材料施加恒定的剪力，研究材料的剪切蠕變性能；利用三軸儀，對材料試件施加軸向應力和靜水壓力，研究材料的單向或三向壓縮蠕變性能；利用扭轉(zhuǎn)流變儀，對材料試件施加恒定的扭力，研究材料的扭轉(zhuǎn)蠕變性能；以及在粱形試件上施加恒定的彎矩，研究材料撓度蠕變性能的彎曲法等。
應力松弛實驗是將材料試件置于應力松弛試驗儀上，使試件產(chǎn)生一恒定的變形，測定試件所受應力隨時間的衰減，研究材料的流變性能，也可以計算材料松弛時間的頻譜。這種試驗也可在彎曲流變儀、扭轉(zhuǎn)流變儀、壓縮流變儀上進行，此法適用于高分子材料和金屬材料。
除蠕變和應力松弛這類靜力試驗外，還可進行動力試驗，即對材料試件施加一定頻譜范圍內(nèi)的正弦振動作用，研究材料的動力效應。此法特別適用于高分子類線性粘彈性材料。通過這種試驗可以求得兩個物理量：由于材料發(fā)生形變而在材料內(nèi)部積累起來的彈性能量；每一振動循環(huán)的能量耗散。動力試驗可以測量能量耗散和頻率的關(guān)系，通過這個規(guī)律可以與蠕變試驗比較分析，建立模型。
在上述的各種試驗工作中，還要研究并應用各種現(xiàn)代測量原理和方法，大型電子計算機的出現(xiàn)對流變學領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了深遠的影響，如對于非線性材料的大應變、大位移的復雜課題已用有限元法或有限差分方法進行研究。
隨著經(jīng)濟和工業(yè)化的發(fā)展，流變學將有廣闊的發(fā)展領(lǐng)域，并已逐步滲透到許多學科而形成相應的分支，例如高分子材料流變學、斷裂流變力學、土流變學、巖石流變學以及應用流變學等等。在理論研究上，已超出均勻連續(xù)介質(zhì)的概念，開始探索離散介質(zhì)、非均勻介質(zhì)以及非相容彈性介質(zhì)的流變特性。實驗原理和測試技術(shù)的研究以及電子計算機的應用，將在流變學的發(fā)展中顯示重要的地位和發(fā)揮巨大的作用。
流變學是力學的一個新分支，它主要研究材料在應力、應變、溫度濕度、輻射等條件下與時間因素有關(guān)的變形和流動的規(guī)律。
流變學出現(xiàn)在20世紀20年代。學者們在研究橡膠、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金屬等工業(yè)材料；巖石、土、石油、礦物等地質(zhì)材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質(zhì)過程中，發(fā)現(xiàn)使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明這些材料的復雜特性，于是就產(chǎn)生了流變學的思想。英國物理學家麥克斯韋和開爾文很早就認識到材料的變化與時間存在緊密聯(lián)系的時間效應。
麥克斯韋在1869年發(fā)現(xiàn)，材料可以是彈性的，又可以是粘性的。對于粘性材料，應力不能保持恒定，而是以某一速率減小到零，其速率取決于施加的起始應力值和材料的性質(zhì)。這種現(xiàn)象稱為應力松弛。許多學者還發(fā)現(xiàn)，應力雖然不變，材料棒卻可隨時間繼續(xù)變形，這種性能就是蠕變或流動。
經(jīng)過長期探索，人們終于得知，一切材料都具有時間效應，于是出現(xiàn)了流變學，并在20世紀30年代后得到蓬勃發(fā)展。1929年，美國在賓厄姆教授的倡議下，創(chuàng)建流變學會；1939年，荷蘭皇家科學院成立了以伯格斯教授為首的流變學小組；1940年英國出現(xiàn)了流變學家學會。當時，荷蘭的工作處于地位，1948年國際流變學會議就是在荷蘭舉行的。法國、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利時等國也先后成立了流變學會。
流變學的發(fā)展同世界經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)化進程密切相關(guān)?，F(xiàn)代工業(yè)需要耐蠕變、耐高溫的高質(zhì)量金屬、合金、陶瓷和高強度的聚合物等，因此同固體蠕變、粘彈性和蠕變斷裂有關(guān)的流變學迅速發(fā)展起來。核工業(yè)中核反應堆和粒子加速器的發(fā)展，為研究由輻射產(chǎn)生的變形打開新的領(lǐng)域。
在地球科學中，人們很早就知道時間過程這一重要因素。流變學為研究地殼中極有趣的地球物理現(xiàn)象提供了物理-數(shù)學工具，如冰川期以后的上升、層狀巖層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等。對于地球內(nèi)部過程，如巖漿活動、地幔熱對流等，現(xiàn)在則可利用高溫、高壓巖石流變試驗來模擬，從而發(fā)展了地球動力學。
在土木工程中，建筑的土地基的變形可延續(xù)數(shù)十年之久。地下隧道竣工數(shù)十年后，仍可出現(xiàn)蠕變斷裂。因此，土流變性能和巖石流變性能的研究日益受到重視。
流變學的研究內(nèi)容
流變學研究內(nèi)容是各種材料的蠕變和應力松弛的現(xiàn)象、屈服值以及材料的流變模型和本構(gòu)方程。
材料的流變性能主要表現(xiàn)在蠕變和應力松弛兩個方面。蠕變是指材料在恒定載荷作用下，變形隨時間而增大的過程。蠕變是由材料的分子和原子結(jié)構(gòu)的重新調(diào)整引起的，這一過程可用延滯時間來表征。當卸去載荷時，材料的變形部分地回復或完全地回復到起始狀態(tài)，這就是結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一現(xiàn)象。
材料在恒定應變下，應力隨著時間的變化而減小至某個有限值，這一過程稱為應力松弛。這是材料的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整的另一種現(xiàn)象。
蠕變和應力松弛是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的外部顯現(xiàn)。這種可觀測的物理性質(zhì)取決于材料分子(或原子)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特性。因此在一定應力范圍內(nèi)，單個分子(或原子)的位置雖會有改變，但材料結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計特征卻可能不會變化。
當作用在材料上的剪應力小于某一數(shù)值時，材料僅產(chǎn)生彈性形變；而當剪應力大于該數(shù)值時，材料將產(chǎn)生部分或完全永久變形。則此數(shù)值就是這種材料的屈服值。屈服值標志著材料有完全彈性進入具有流動現(xiàn)象的界限值，所以又稱彈性極限、屈服極限或流動極限。同一材料可能會存在幾種不同的屈服值，比如蠕變極限、斷裂極限等。在對材料的研究中一般都是先研究材料的各種屈服值。
在不同物理條件下(如溫度、壓力、濕度、輻射、電磁場等)，以應力、應變和時間的物理變量來定量描述材料的狀態(tài)的方程，叫作流變狀態(tài)方程或本構(gòu)方程。材料的流變特性一般可用兩種方法來模擬，即力學模型和物理模型：
在簡單情況(單軸壓縮或拉伸，單剪或純剪)下，應力應變特性可用力學流變模型描述。在評價蠕變或應力松弛試驗結(jié)果時，利用力學流變模型有助于了解材料的流變性能。這種模型已用了幾十年，它們比較簡單，可用來預測在任意應力歷史和溫度變化下的材料變形。
力學模型的流變模型沒有考慮材料的內(nèi)部物理特性，如分子運動、位錯運動、裂紋擴張等。當前對材料質(zhì)量的要求越來越高，如高強度超韌性的金屬、高強度耐高溫的陶瓷、高強度聚合物等。對它們的研究就必須考慮材料的內(nèi)部物理特性，因此發(fā)展了高溫蠕變理論。這個理論通過考慮了固體晶體內(nèi)部和晶粒顆粒邊界存在的缺陷對材料流變性能的影響，表達出材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物理常數(shù)，亦即材料的物理流變模型。
流變學的研究方法
流變學從一開始就是作為一門實驗基礎(chǔ)學科發(fā)展起來的，因此實驗是研究流變學的主要方法之一。它通過宏觀試驗，獲得物理概念，發(fā)展新的宏觀理論。例如利用材料試件的拉壓剪試驗，探求應力、應變與時間的關(guān)系，研究屈服規(guī)律和材料的長期強度。通過微觀實驗，了解材料的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如多晶體材料顆粒中的缺陷、顆粒邊界的性質(zhì)，以及位錯狀態(tài)等基本性質(zhì)，探討材料流變的機制。
對流體材料一般用粘度計進行試驗。比如，通過計算球體在流體中因自重作用沉落的時間，據(jù)以計算牛頓粘滯系數(shù)的落球粘度計法；通過研究的流體在管式粘度計中流動時，管內(nèi)兩端的壓力差和流體的流量，以求得牛頓粘滯系數(shù)和賓厄姆流體屈服值的管式粘度計法；利用同軸的雙層圓柱筒，使外筒產(chǎn)生一定速度的轉(zhuǎn)動，利用儀器測定內(nèi)筒的轉(zhuǎn)角，以求得兩筒間的流體的牛頓粘滯系數(shù)與轉(zhuǎn)角的關(guān)系的轉(zhuǎn)筒法等。
對彈性和粘彈性材料的實驗方法分為蠕變試驗、應力松弛試驗和動力試驗三種：
對材料進行蠕變實驗一般有對材料試件施加恒定的拉力，以研究材料的拉伸蠕變性能的拉伸法；在專門的剪力儀中對材料施加恒定的剪力，研究材料的剪切蠕變性能；利用三軸儀，對材料試件施加軸向應力和靜水壓力，研究材料的單向或三向壓縮蠕變性能；利用扭轉(zhuǎn)流變儀，對材料試件施加恒定的扭力，研究材料的扭轉(zhuǎn)蠕變性能；以及在粱形試件上施加恒定的彎矩，研究材料撓度蠕變性能的彎曲法等。
應力松弛實驗是將材料試件置于應力松弛試驗儀上，使試件產(chǎn)生一恒定的變形，測定試件所受應力隨時間的衰減，研究材料的流變性能，也可以計算材料松弛時間的頻譜。這種試驗也可在彎曲流變儀、扭轉(zhuǎn)流變儀、壓縮流變儀上進行，此法適用于高分子材料和金屬材料。
除蠕變和應力松弛這類靜力試驗外，還可進行動力試驗，即對材料試件施加一定頻譜范圍內(nèi)的正弦振動作用，研究材料的動力效應。此法特別適用于高分子類線性粘彈性材料。通過這種試驗可以求得兩個物理量：由于材料發(fā)生形變而在材料內(nèi)部積累起來的彈性能量；每一振動循環(huán)的能量耗散。動力試驗可以測量能量耗散和頻率的關(guān)系，通過這個規(guī)律可以與蠕變試驗比較分析，建立模型。
在上述的各種試驗工作中，還要研究并應用各種現(xiàn)代測量原理和方法，大型電子計算機的出現(xiàn)對流變學領(lǐng)域的研究產(chǎn)生了深遠的影響，如對于非線性材料的大應變、大位移的復雜課題已用有限元法或有限差分方法進行研究。
隨著經(jīng)濟和工業(yè)化的發(fā)展，流變學將有廣闊的發(fā)展領(lǐng)域，并已逐步滲透到許多學科而形成相應的分支，例如高分子材料流變學、斷裂流變力學、土流變學、巖石流變學以及應用流變學等等。在理論研究上，已超出均勻連續(xù)介質(zhì)的概念，開始探索離散介質(zhì)、非均勻介質(zhì)以及非相容彈性介質(zhì)的流變特性。實驗原理和測試技術(shù)的研究以及電子計算機的應用，將在流變學的發(fā)展中顯示重要的地位和發(fā)揮巨大的作用。