Реоло́гия (от греч. ῥέος – течение, поток и …логия), наука, изучающая механические свойства реальных материалов с целью установления особенностей их деформации и течения. Термин «реология» предложил Ю Бингам при организации первого в мире реологического общества в США и выпуске специализированного издания Journal of Rheology (основано в 1929). В СССР аналогичное научное общество создано Г. В. Виноградовым (1989). По своему научному содержанию реология занимает промежуточное положение между динамикой вязкой жидкости и теорией упругости, широко оперирует сведениями из молекулярной физики, физической и коллоидной химии, а в качестве аппарата использует методы механики сплошной среды.

Исходные понятия реологии – «вязкость» и «упругость». Согласно основному закону вязкого течения, установленному И. Ньютоном (1687), для вязкой жидкости скорость деформации пропорциональна напряжению сдвига, вызывающего течение жидкости; коэффициент пропорциональности называется коэффициентом динамической вязкости. Согласно основному закону теории упругости, открытому Р. Гуком (1678), для идеального твёрдого тела относительные деформации пропорциональны механическим напряжениям; коэффициент пропорциональности – модуль упругости, или, при одноосном растяжении, модуль Юнга. Для реальных сред наблюдаются отклонения от этих крайних случаев. Для природных и технических материалов характерны различные сочетания необратимых деформаций (течения) и обратимых деформаций (упругости). Поэтому практически все реальные материалы и среды являются вязкоупругими, а вклад деформаций разного типа зависит от молекулярной структуры вещества, температуры, величины приложенной нагрузки и длительности её воздействия. Часть работы внешних сил при деформировании вязкоупругих материалов рассеивается в виде теплоты (как в вязкой жидкости), а часть сохраняется в веществе (как в упругих материалах).

Для линейных вязкоупругих сред (линейных систем) деформации и скорости деформации также пропорциональны напряжениям, но связь между этими величинами выражается не постоянными коэффициентами, а некоторыми функциями времени. Это приводит к различным временны́м эффектам. К их числу относятся: ползучесть, или крип (возрастание деформации во времени при постоянном напряжении), для описания которой используются теоретические представления А. Навье (1823), У. Томсона (1888), Д. Фойхта (1890) и экспериментальные наблюдения ползучести волокон В. Э. Вебера (1835), ползучести желатины российского физикохимика Ф. Н. Шведова (1890), и релаксация (убывание напряжения при сохранении деформации) – теоретическое представления С. Пуассона (1831), Дж. К. Максвелла (1867) и экспериментальные наблюдения Ф. Кольрауша (1863). Для линейных вязкоупругих сред влияние любого напряжения на деформации не зависит от остальных действующих напряжений (принцип суперпозиции Больцмана – Вольтерры), так что роль каждого воздействия на поведение материала можно рассматривать независимо от всех остальных. Явления релаксации и запаздывания наблюдаются также при периодических колебаниях, осуществляемых в очень широких частотных диапазонах. Было установлено [А. П. Александров и Ю. С. Лазуркин (1939), американский физикохимик Г. Лидерман (1943)], что одни и те же показатели механических свойств вязкоупругих материалов могут наблюдаться при варьировании либо частоты, либо температуры. Этот принцип температурно-частотной (или временно́й) суперпозиции является следствием релаксационной природы деформаций материалов. Согласно ему, следует оценивать не состояние аморфных материалов (стеклообразное, высокоэластическое, текучее), а тип поведения, зависящий как от температуры, так и от длительности наблюдения за развитием деформации. Для определения того, является ли материал в большей степени упругим или текучим, часто используют безразмерный критерий подобия – число Деборы De (по имени библейской пророчицы в книге Судей), – предложенный М. Райнером. Этот критерий выражается отношением времени релаксации к длительности наблюдения. Таким образом, кажущийся тип поведения материала зависит от продолжительности наблюдения. Для идеальных жидкостей De = 0, для твёрдых тел De неограниченно велико. Промежуточные значения De отвечают вязкоупругим средам, и чем больше значение De, тем в большей степени выражена упругость среды по сравнению с вязким течением.

Линейные соотношения относятся к области малых напряжений и деформаций, тогда как практически все реальные материалы демонстрируют огромное множество нелинейных эффектов, которые являются основными для понимания реологических свойств материала (среды). Возможны следующие причины нелинейности реологического поведения: большие деформации (геометрическая нелинейность), структурные превращения, релаксационные и фазовые переходы, вызванные деформированием (физическая нелинейность), и др. Наиболее важным из них является зависимость эффективной вязкости от скорости деформации (Вольфганг Оствальд с соавторами, 1929) и переход от твердообразного поведения к течению при достижении критического напряжения – предела текучести (Ю. Бингам, 1917). Такие вещества, как лакокрасочные материалы, наполненные расплавы полимеров, многие пищевые продукты, пасты и кремы, в отсутствие внешнего воздействия сохраняют свою форму подобно твёрдым телам, но при превышении некоторого порога – предела текучести – текут подобно жидкостям. Подобные материалы называют вязкопластичными. Пластичность, под которой в данном случае понимают способность течь при больших напряжениях, наблюдается для многих твёрдых веществ, включая кристаллические (металлы, горные породы и др.), аморфные (бетон) и многокомпонентные (пасты, кремы) материалы. Нелинейность зависимости деформации от напряжений характерна также для резин, способных к большим обратимым (высокоэластическим) деформациям (высокоэластическое состояние). Нелинейность реологических свойств может приводить также к неустойчивости процесса деформирования.

При деформировании внутренняя структура всех этих материалов может изменяться, и её полное или неполное восстановление происходит во времени. Явление запаздывания структурных процессов в результате деформирования или отдыха ненагруженного материала называют тиксотропией (характерно для самых разнообразных веществ: пищевых продуктов, лакокрасочных и строительных материалов, консистентных смазок и др.).

При течении многокомпонентных и упругих систем наблюдаются такие специфические эффекты, как зависимость эффективной вязкости от скорости деформирования (аномалия вязкости), появление напряжений, нормальных к плоскости сдвига (эффект Вайсенберга, 1947), возрастание вязкости при увеличении скорости деформирования (дилатансия), деформационное твердение вплоть до остановки течения из-за механического стеклования (jamming). Нормальные напряжения при сдвиговом течении проявляются в аномальном поведении жидкости при вращении ротора в сосуде. Вязкоупругая жидкость не отбрасывается к краю сосуда, а стремится «забраться» на ротор.

Схематическое представление эффекта Вайсенберга.Схематическое представление эффекта Вайсенберга.В теоретической реологии любые вещества рассматриваются как сплошные среды и центральное место занимает феноменологическая формулировка соотношений между напряжениями и деформациями, называемыми реологическими уравнениями состояния вещества, а также их термодинамическое и молекулярно-физическое обоснование. Эти уравнения используют для решения различных задач механики сплошных сред. Однако при больших напряжениях в многокомпонентных материалах могут образовываться кластеры (скопление частиц), и тогда течение происходит не на молекулярном уровне, а путём перемещения этих образований. В материале могут возникать разрывы сплошности, и тогда высококонцентрированные суспензии ведут себя подобно смещению отдельных кластеров в сухом песке.

В микрореологии главным образом изучается влияние внутренней структуры вещества, прежде всего дисперсных и иных многокомпонентных систем, на их поведение при деформировании. В результате устанавливается зависимость механических свойств веществ от их состава (концентрации, молекулярных характеристик) и взаимодействий между образующими состав компонентами.

Для экспериментального измерения реологических свойств текучих сред используют методы реометрии. Существенный прогресс достигнут в сочетании собственно реологических методов измерения механических характеристик вещества и иных методов экспериментальной физики (оптическая и ЯМР-спектроскопии в различных частотных диапазонах, визуализации течений и деформаций и др.), позволяющих устанавливать соотношения между структурой и свойствами материала.

На практике реология используется при переработке материалов (полимеров, пищевых материалов, фармацевтических и косметических средств, строительных материалов, порошков) и их транспортировке; оценке перемещений природных сред (грунтов, ледников); описании механических свойств биологических объектов (течения крови, деформации кожных покровов и костей); решении инженерных проблем работоспособности материалов при длительных нагрузках, высоких температурах и больших деформациях.

Использование методов реологии позволяет решать широкий круг задач, например, при определении пластических деформаций металлов при их технологической обработке (ковке, штамповке и др.), расчёте трубопроводных линий при перекачке нефти и нефтепродуктов, проектировании оборудования при формовании изделий из полимеров, оценке ползучести жаростойких сталей при высоких температурах, пластмасс и грунтов. Методы реологии широко применяют также при сравнении и классификации разнообразных материалов, включая полимеры, смазки, пищевые, фармакологические и иные эмульсии и др.

Перспективы развития реологии связаны с усовершенствованием экспериментальной техники, созданием и обоснованием новых физических и феноменологических моделей, развитием вычислительных методов для решения прикладных задач, стандартизацией свойств различных материалов (полимеров, битумов, лакокрасочных материалов и т. д.).