Fließverhalten

Fließverhalten bezeichnet die Reaktion eines Materials auf mechanische Belastung, insbesondere auf Schubspannung. Es beschreibt, wie sich Stoffe unter äußeren Kräften verformen und fließen, sowie zeitabhängige Effekte wie Verfestigung oder Erholung. Zentrale Größen sind die Schergeschwindigkeit gamma_dot und die Schubspannung tau; die Viskosität eta wird als Verhältnis von tau zu gamma_dot definiert. In der Rheologie unterscheidet man Newtonsche Flüssigkeiten, bei denen die Viskosität konstant bleibt, von Nicht-Newton’schen Flüssigkeiten, deren Viskosität von gamma_dot, Temperatur oder Zeit abhängt. Nicht-Newtonsche Fluide können scherverdünnend (Viskosität nimmt mit gamma_dot ab), scherverdickend (nimmt zu) oder fließgrenzenhaltig sein, wobei eine Fließgrenze tau_y die Bewegung erst überwindbar macht. Viele Materialien zeigen zusätzlich viskoelastische Eigenschaften, bei denen sowohl elastische als auch viscose Anteile der Verformung eine Rolle spielen.

Zur Beschreibung des Fließverhaltens werden verschiedene Modelle verwendet. Das Newtonsche Gesetz tau = eta * gamma_dot beschreibt eine konstante Viskosität. Das Ostwald-de Waele-Modell (Power-law) lautet tau = K * gamma_dot^n. Das Bingham-Plastic-Modell berücksichtigt eine Fließgrenze: tau = tau_y + mu_p * gamma_dot. Das Herschel-Bulkley-Modell kombiniert Fließgrenze und Nicht-Newtonianität: tau = tau_y + K * gamma_dot^n. Das Carreau-Modell beschreibt eine Abnahme der Viskosität bei hohen gamma_dot.

Messungen erfolgen primär mit Rheometern oder Viskosimetern, wobei Temperatur, Druck und Schergeschwindigkeit kontrolliert werden. Das Fließverhalten ist entscheidend für Verarbeitungsprozesse in der Industrie, Lebensmittel- und Kosmetikherstellung, Lack- und Polymerverarbeitung sowie in Geowissenschaften. Typische Beispiele: Wasser (Newtonian), Honig oder Sirup (stark viskos, oft scherverdünnend), Ketchup (Nicht-Newtonian mit Fließgrenze).