基本介紹
- 中文名：塑性流動
- 外文名：plastic flow
- 特點：在應力超過τ0時才開始流動
- 曲線：流動特性曲線不通過原點
- 例子：番茄醬、朱古力等
- 分類：賓漢流動和非賓漢流動
牛頓流動,非牛頓流動,本構模型,
牛頓流動
不同黏度的流體，應力與應變速率存在一定的函式關係。牛頓流體是指黏度不會隨剪下速率的變化而變化，剪下速率(shear rate)與剪下應力(shear srtess)成正比的流體。牛頓流體的流動狀態方程式如下：
τ=ηγ
其中，η指為黏度(viscosity)，體現了流動的阻力，表示剪下應力與剪下速率之間的比例係數，γ表示剪下速率，τ表示剪下應力。對於牛頓流體而言，剪下速率的變化不會影響其黏度。理想的牛頓流體各向同性，且不能壓縮，不具有彈性。一定範圍內基本符合牛頓定律的流體在流變學中被當做牛頓流體進行處理。如食品中的水、普通蜂蜜、油、酒、液糖、玉米糖漿、過濾後的果汁等，由於完全的牛頓流體在自然界中不存在，通常都按牛頓流體分析計算。
非牛頓流動
在自然界中的食品，不符合牛頓流體定律的流體占大多數。大量的食品，包括濃果汁、果醬、全雞蛋、菜泥、濃牛奶以及朱古力漿等固液懸浮體都是非牛頓流體，下面的經驗公式往往用來表示這些流體的剪下應力與剪下速率之間的關係：
τ=k(γ)n(1<n<∞，0<n<1)（1）
式中，
n為流態特性指數，k為稠度係數。若為牛頓流體公式，則n=1，此時k為黏度。上式中，設ηa=k（γ）n-1，則與牛頓流體相似的非牛頓流體的狀態方程可寫為：
τ=ηaγ（2）
此式可以得到：η與ηa表示同樣物理特性，有相同的量綱，即ηa為表觀黏度(apparent viscosity)。表觀黏度ηa是流體內部阻力的總和。然而與η不同的是，ηa是γ的函式，與k和n有關。換句話說ηa是指非牛頓流體在某一流速的黏度。
對於很多非牛頓流體，Τ只有在大於一定值Τ0時（也就是說，流體在獲得能量克服一個屈服應力值以後），流動才能發生。Bulkey與Hershel提出的表示公式如下：
Τ=Τ0+k(γ)n（3）
Τ0表示屈服應力(yield stress)。由於公式中的Τ0和n範圍不同，將非牛頓流動分為以下五類：
假塑性流動(pseudo plastic flow)
當黏度隨著剪下速率或剪下應力的增大而減少，對應於公式（1）中的0<n<1時的流動，叫做假塑性流動。這種流動也被叫做剪下稀化流動(shear thinning flow)，即由於流速的增加引起黏度減小。
假塑性流體符合假塑性流動規律，大部分液態食品都是假塑性液體。大部分非牛頓流體均為假塑性流體。具有假塑性的食品，大多數具有由巨大的鏈狀分子構成的高分子膠體粒子，在低流速或者靜止時，由於他們互相纏結，黏度較大，故而顯得黏稠。然而流速變大時，這些比較散亂的鏈狀粒子因為會受到流層之間的剪應力作用，減少了它們的互相鉤掛，會發生滾動旋轉進而收縮成團，於是表現為剪下稀化的現象。對於大部分流體來說，雖然會滯後一點時間，但是剪下稀化現象可逆。流體初始的高黏度狀態在剪下速率減小甚至停止剪下時會恢復。從微觀上講，布朗運動使聚集體重新形成，即鏈狀膠體分子又恢復到其無取向的自然位置，產生了變形的液滴恢復為球形。加工行為受高分子流體的假塑性的直接影響。如菜湯、醬油、濃糖水、番茄汁、蘋果醬、澱粉糊等高分子溶液、乳狀液和懸浮液都屬於假塑性流體。
脹塑性流動(dilatant flow)
黏度隨著剪下速率的增大而增大的流動，也稱為剪下增稠流動(shear thickening flow)。在公式τ=k(γ)n(1<n<∞，0<n<1)中，如果1<n<∞，稱為脹塑性流動。表現為脹塑性流動的流體，稱為脹塑性流體。食品材料中脹塑性流體不是很多，比較典型的是生玉米澱粉糊。當給澱粉中加入水，混合成糊狀後，緩慢傾斜容器，澱粉糊會像液體那樣流動。但如果施加更大的剪下應力，如用力快速攪動澱粉，那么澱粉稀糊反而會變“硬”，失去流動的性質。如果用筷子迅速攪動，甚至阻力會使筷子折斷。
塑性流動(plastic flow)
液體只有在應力超過τ0時才開始流動。塑性流動的流動特性曲線不通過原點。賓漢流動(Bingham flow)是指當應力超過τ0時，流動特性符合牛頓流體規律的流動。而非賓漢流動是指不符合牛頓流動規律流動。把具有這兩種流動特性的液體分別稱為賓漢流體或非賓漢流體。食品中的濃縮肉汁就是一種典型的賓漢流體。卡松在研究了油漆流動的網架結構與剪下速率的關係後發現剪下應力和剪下速率有如下關係：
σ1/2=σ01/2+ηaε1/2
一部分非賓漢流體液態食品的流動規律符合卡松公式，如番茄醬、朱古力等。
觸變性流動(thixotropy)
觸變性是指在振動、攪拌、搖動時，液體的流動性增加，黏性減少，靜置後，過段時間發現流動又變困難的現象。也叫搖溶性流動。例如，番茄調味醬、蛋黃醬等，在容器中放置時間一長，傾倒時，就變得很難流動。但只要將容器猛烈搖動，或用力攪拌一會，它們就變得很容易流動。再長時間放置時，它們又會變得流動困難。觸變性流動的發生是由於粒子之間形成的結合構造，隨著剪下應力的增加而受到破壞，導致的黏性減少。但這些粒子間結合構造在停止應力作用時，恢復需要一段時間，逐漸形成。因此，剪下速率減慢時的曲線在前次增加時的曲線的下方，形成了與流動時間有關的滯變迴環。材料的構造破壞的越大，體現為滯變迴路包圍面積越大。觸變性對口感的影響體現為爽口柔和的感覺。
膠變性流動(rheopexy flow)
液體隨著流動時間延長，與觸變性流動相反，變得越來越黏稠的現象。膠變性流動的食品給人以黏稠的口感。當流速加大時，達到最大值後，再減低流速，減低流速時的流動曲線反而在加大流速曲線的上方。這種現象也被稱為逆觸變現象。這是因為流動促進了液體粒子間構造的形成。
本構模型
郭偉國建立了塑性流動本構模型，對Al3003-H12、2219-T87、7050-T7451、2024-T351和LY12-cz5種典型的鋁合金在應變率從10−4/s到8000/s，初始溫度從77K到800K以及真實應變超過0.50條件下進行系統實驗，並對塑性流動行為進行分析。結果表明：這些鋁合金材料具有應變率效應；鋁合金材料應變率敏感性可歸於短程障礙對熱激活位錯運動的影響；在200~600K時，這些材料存在第三類動態應變時效現象。基於熱激活位錯運動機制，推出一個物理概念的本構模型，比較得出的模型預測結果和實驗結果一致，可方便用於工程套用。
