Поверхностное натяжение жидкого металла

Обновлено: 09.05.2024

Поверхностное натяжение металла зависит от заряда его поверхности, и исследование кривых зависимости поверхностного натяжения от потенциала металла дает возможность судить о строении двойного слоя. [1]

Поверхностное натяжение металла и расплавленного электролита следует принимать во внимание по следующим причинам. При выделении расплавленного металла необходимо, чтобы он хорошо смачивал катод и получался в виде компактного слоя. Металл, не смачивающий катод, образует мелкие капли, что увеличивает поверхность его соприкосновения с электролитом и растворимость в нем. В процессе выделения твердого металла смачиваемость его электролитом способствует образованию защитной пленки и препятствует окислению. [2]

Поверхностное натяжение металлов является одной из форм проявления энергетического взаимодействия атомов. Энергия межатомных связей в разных металлах в общем случае различна. Поэтому и значения поверхностных энергий металлов отличаются друг от друга в довольно широких пределах. [3]

Кислород уменьшает поверхностное натяжение металла , и поэтому с увеличением его содержания в смеси на основе аргона критический ток уменьшается. [4]

Азот повышает поверхностное натяжение металла , поэтому с увеличением содержания азота в аргоне при одной и той же силе тока размер капель увеличивается. При сварке в среде азота происходит крупнокапельный перенос металла с интенсивным разбрызгиванием. [6]

Точное измерение поверхностного натяжения металлов сопряжено с большими трудностями, связанными в основном с двумя обстоятельствами: во-первых, металлы легко вступают в соединение с газами с образованием продуктов, покрывающих поверхность металла сплошным слоем, имеющим значительно меньшее поверхностное натяжение, чем чистый металл; во-вторых, когезия в металлах настолько высока, а адгезия к другим твердым телам сравнительно настолько мала, что краевой угол, образуемый металлами с другими твердыми телами, нередко слишком велик, чтобы можно было пользоваться обычными методами измерений. [7]

Особого обсуждения требует теория поверхностного натяжения металлов . [8]

Незначительные количества примесей существенно понижают поверхностное натяжение металла . Так, небольшие количества серы и, особенно, кислорода обусловливают понижение поверхностного натяжения железа на несколько сотен градусов. [9]

Известен ряд веществ, снижающих поверхностное натяжение металлов . [10]

В дальнейшем развитие электронной теории поверхностного натяжения металлов , учитывающей кристаллическую решетку ( с рядом усовершенствований, включающим температурную зависимость, определяемую изменением колебательной энергии ионов переходного слоя по сравнению с объемом металла, рассмотрение межфазовой поверхностной энергии металл-расплав и др.), связано с работами С. Н. Задумкина ( начиная с ФММ, 11, вып. [11]

Мы изложили также применение квантовой статистики к теории поверхностного натяжения металлов , данное в многочисленных работах С. Н. Задумкина, поскольку его результаты имеют не только большой теоретический интерес, но и немалое практическое значение. [12]

Добавки поверхностно активных веществ могут сильно влиять как на поверхностное натяжение металла , так и на межфазную энергию на границе его с подом. Это вызывает изменение краевого угла 6 и сказывается на зарождении и росте пузырьков. [13]

Считается, что скорость деформации при нулевой нагрузке обусловлена поверхностным натяжением металла и, следовательно, напряжение, соответствующее нулевой скорости деформации, должно в точности уравновешивать силу поверхностного натяжения по окружности проволоки. Используя этот метод, Удин и др. [ I ] установили, что поверхностное натяжение меди вблизи точки ее плавления равно 1370 дн / см, а Александер и др. [77] нашли, что при 1000 С поверхностное натяжение золота составляет 1300 - 1700 дн / см. Интересно, что при длительном нагревании под малой нагрузкой на проволоке появляются чередующиеся сужения и расширения. То же самое происходит и с длинными столбиками жидкости ( разд. [14]

Для модификации пригодны мельчайшие неметаллические включения, служащие центрами кристаллизации, и поверхностно-активные вещества, меняющие поверхностное натяжение металла . Хорошим модификатором в условиях сварки является титан. Модификация осуществляется при сварке электродами с качественным покрытием и под керамическими флюсами. При сварке под плавлеными флюсами модификация обычно выражена слабо, когда модификатор, например титан, вводится в состав электродной проволоки. Интенсивная модификация металла с получением мелкозернистой равноосной структуры при первичной кристаллизации является преимуществом керамических флюсов. Необходимые элементы для раскисления, легирования и модифицирования металла обычно вводят в керамические флюсы, как и в электродные покрытия, в виде ферросплавов. [15]

Поверхностное натяжение стали - коэффициент поверхностного натяжения

Поверхностное натяжение основная характеристика процессов, связанных с участием поверхностей или границ раздела. Поверхностное натяжение определяет свободную энергию (работу), которую необходимо затратить, чтобы образовать единицу площади поверхности раздела.

Наличие поверхностного натяжния обусловлено тем, что атомы на поверхности жидкости или кристалла обладают большей потенциальной энергией, чем атомы или ионы внутри их, поэтому поверхностную энергию обычно рассматривают как избыток энергии, приходящейся на единицу площади. В табл. 1 приведены значения поверхностного натяжения для некоторых металлов при температурах, близких к температуре их плавления.

Табл. 1. Поверхностное натяжение жидких металлов [Вертман А. А., Самарин А. М. Строение и свойства жидких металлов. М.: изд-во АН СССР. 1960. 350 с.]

Металл	Т, С	σ, мДж/м 2
Fe	1550	1850
Al	700	850
Ni	1500	1750
Ti	1720	1330
Cu	1100-1630	1354
Si	1410-1800	735
Mg	852-1053	583
Mn	1550	1000

Влияние поверхностного натяжения на кристаллизацию

Распределение примесей на гранях кристалла в процессе затвердевания оказывает существенное влияние на кристаллическую структуру и свойства слитков. Растущий кристалл промышленных сплавов всегда окружен тонким поверхностным слоем примесей. Рост кристалла, покрытого этим слоем, может происходить только у вершин и выступов его ветвей, где режим питания чистой жидкостью более благоприятен. Адсорбируемые примеси таким образом значительно влияют на форму кристаллов, поэтому, считают, что дендритная форма роста вызывается влиянием блокирующего слоя, нарушающего нормальное питание. Адсорбционная природа образования дендритов доказана экспериментально.

Вообще процесс кристаллизации обычно связывают с двумя параметрами: переохлаждением и межфазным натяжением на границе твердый кристалл - расплав.

Для оценки величины возможного переохлаждения можно принять, что вся выделяющаяся теплота кристаллизации идет на повышение температуры уже образовавшегося кристалла от Т₁ до Т₂, тогда элементарный баланс тепла при этом имеет вид

M∙L = m∙с∙(T₂ - T₁) (1)
где M - количество молей вещества, моль;
m - масса кристалла, кг;
С - удельная теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг∙К);
Т₁ - температура переохлажденного расплава, К;
Т₂ - температура разогретого кристалла, К;
L - теплота кристаллизации, Дж/моль.

Переохлаждение dT в этом случае примет вид

При Т₂ = Т₀ возникает возможность образования стабильного кристаллического зародыша. При подстановке в уравнение (1) T₂ = T₀ получим:

Теперь для получения значений максимального переохлаждения достаточно подставить в выражение (1) табличные значения теплоты кристаллизации L и теплоемкости при постоянном давлении для твердой фазы при температуре плавления (2).

Влияние состава на поверхностное натяжение

Одним из существенных факторов, определяющих значение поверхностного натяжения является состав металла.

Для расчета поверхностного натяжения стали может быть использована предложенная Попелем [Попель С.И. Теория металлургических процессов. М.: ВИНИТИ. 1971. 132 с.] формула:

σ = σ_Fe - 2000·lgΣF_i·x_i (3)
где σ_Fe - поверхностное натяжение чистого железа, Дж/м 2 ;
x_i - атомная доля i-го компонента в сплаве;
n_i - число молей i-го компонента;
F_i - параметр, характеризующий капиллярную активность легирующей добавки.

При 1600 °С значения F_i, для большинства легирующих добавок приведены в табл. 2. Для других температур значение F следует определять из выражения (4):

Табл. 2. Значение параметров капиллярной активности различных элементов

Элемент	C	Si	Mn	S	Р	Сr	Ni	Мо	Ti	V	О	N	La*	Y*	Ba	Fe
F₁₈₇₃	2,0	2,2	5,0	500	1,5	2,5	1,4	0,45	0,12	0,6	1000	150	550	377	1000	1

* собственные данные (подробнее об этом здесь). На нашем сайте Вы также можете прочесть статью о влиянии селена и теллурга на поверхностное натяжение стали.

Пример расчета поверхностного натяжения стали 35ХН3МФА (при Т = 1873 К) приведен в таблице ниже.

Табл. 3. Расчет поверхностного натяжения капли стали марки 35ХНЗМФА

Используя данные таблицы получаем, что поверхностное натяжение для стали 35ХН3МФА в соответствии с выражением (3) составит σ = 1850 - 2000·lg(1,316) = 1611 мДж/м 2 (изменение поверхностного натяжения чистого железа при снижении температуры с 1600 до 1550 °С не было учтено).

Задать интересующий Вас вопрос или написать комментарий к данной статье Вы можете здесь. Напишите нам и мы обязательно ответим.

Наши партнёры

Спец-предложение

Предлагаем услуги по оптимизации геометрии разливочной оснастки с целью обеспечения повышения коэффициента использования металла и снижения осевой пористости слитков

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Поверхностное натяжение жидкого металла , например ртути или амальгамы, в зависимости от потенциала Е проходит, как правило, через максимум. В точке максимума da / dE О, следовательно, в этой точке е 0 и потенциал Е, измеренный против нормального водородного электрода, соответствует потенциалу нулевого заряда. [1]

Величина поверхностного натяжения жидкого металла а оказывает существенное влияние на характер переноса электродного металла. [2]

Величина поверхностного натяжения жидкого металла зависит от его химического состава и температуры. Наличие небольших количеств поверхностно-активных веществ может привести к значительному снижению поверхностного натяжения. Наибольшей поверхностной активностью в жидкой стали обладают кислород и сера. Поэтому различные технологические факторы, оказывающие влияние на содержание этих примесей в металле ( степень раскисленное металла, состав шлака и др.), оказывают воздействие на характер переноса металла. Увеличение температуры капель приводит к снижению поверхностного натяжения сплавов на основе железа и может способствовать уменьшению размера переносимых капель. [3]

Исследование поверхностного натяжения жидких металлов и фреонов в атмосфере собственных паров новым комбинированным методом / / Теплофизические свойства жидкостей. [4]

Аргон резко увеличивает поверхностное натяжение жидкого металла , способствуя удержанию сварочной ванны. [5]

Жидкотекучесть зависит от поверхностного натяжения жидкого металла и загрязненности металла неметаллическими и шлаковыми включениями. [6]

Как поверхностно активный элемент кислород уменьшает поверхностное натяжение жидкого металла , тем самым способствуя образованию на конце электрода более мелких капель и их более равномерному направленному ( струйному) переносу в сварочную ванну. [7]

Чтобы раскрыть точную природу температурной зависимости поверхностного натяжения жидких металлов , необходимо проводить дальнейшие исследования; dy / dT отрицательно для многих металлов. [8]

В табл. 33 приведены экспериментальные значения поверхностного натяжения жидких металлов при температуре их плавления. [10]

Расплавленные соли на границе с газовой фазой обладают большим поверхностным натяжением, сравнимым с поверхностным натяжением жидких металлов . В табл. 36 приведено поверхностное натяжение расплавленных солей и других жидкостей. [11]

Величина этого предельного объема зависит от условий смачивания по границе жидкой и твердой фаз, поверхностного натяжения жидкого металла и давления источника нагрева. При ухудшении смачивания, уменьшении поверхностного натяжения металла и увеличении давления источника нагрева величина этого предельного объема металла уменьшается. [13]

В зависимости от применения аргона или гелия меняется и поверхностное натяжение на границе металл-газовая фаза. Так, для хромоникелевых сталей аустенитного класса поверхностное натяжение жидкого металла при сварке в гелии заметно меньше, чем в аргоне. Это сказывается и на формировании поверхности швов. [15]

Смачивание твердых тел жидкими металлами представляет во многих отношениях более сложную физико-химическую проблему, чем смачивание жидкостями с низким поверхностным натяжением. Соответственно усложняется и механизм влияния растворимых веществ на поверхностное натяжение жидких металлов и на краевые углы при контакте с различными твердыми материалами. По сравнению с системами, в которых смачивание носит физический характер ( см. § III. Поэтому влияние примесей на смачивание жидкими металлами оказывается более специфичным и зависящим от индивидуальных свойств конкретной системы, чем при смачивании водой и органическими жидкостями. В рамках данной книги не представляется возможным подробное освещение большого комплекса вопросов, связанных с влиянием состава жидкого металла на смачивание, и ниже приводится лишь краткое изложение некоторых результатов исследований в этой области. [16]

Основные закономерности процесса сварки в смесях Аг - О2, Аг - СО2, Аг - СО2 - О2 мало отличаются от существующих при сварке в чистом Аг. Однако благодаря добавке окислительных газов обеспечиваются существенное снижение поверхностного натяжения жидкого металла расплавляемой электродной проволоки , уменьшение размеров образующихся и отрывающихся от электрода капель и снижение критического тока перехода от крупнокапельного к струйному переносу металла. Диапазон токов при стабильном ведении процесса сварки расширяется. Обеспечиваются лучшее формирование металла шва и меньшее разбрызгивание, лучшая форма провара и меньшее излучение дуги, по сравнению со сваркой в чистом аргоне, а также в чистом углекислом газе. [17]

Углекислый газ ( двуокись углерода) при добавлении 5 - 10 % к аргону способствует также снижению поверхностного натяжения. При возрастании содержания СО2 в смеси Аг - СО2 более 20 % поверхностное натяжение жидкого металла при сварке увеличивается. [19]

Характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну влияет на формирование, внешний вид и качество металла шва и поэтому имеет большое практическое значение. В процессе образования капли на конце электрода, ее отрыва и перехода через дугу на нее по-разному действуют силы веса поверхностного натяжения жидкого металла - электромагнитные силы и давление газов, образовавшихся в середине капли в результате химических реакций. [20]

Характер переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну влияет на формирование, внешний вид и качество металла шва и поэтому имеет большое практическое значение. В процессе образования капли на конце электрода, ее отрыва и перехода через дугу на нее по-разному действуют силы веса, поверхностного натяжения жидкого металла , электромагнитные силы и давление газов, образовавшихся в середине капли в результате химических реакций. [21]

Это искажает форму шва, ухудшает его защиту и, следовательно, качество. Силе тяжести противодействует сила давления дуги и сила поверхностного натяжения жидкого металла сварочной ванны . Поверхностное натяжение увеличивается почти по квадратичной зависимости с уменьшением площади поверхности сварочной ванны. Следовательно, уменьшить влияние силы тяжести можно, уменьшив сварочную ванну. [22]

На рис. 71 показана схема установки для определения краевого угла смачивания и поверхностного натяжения жидкого металла . [23]

При работе сопла на его твердых стенках образуется оплавленный слой толщиной Ах, от которого в массу наконечника непрерывно отводится теплота Qm. Для поддержания температуры плавления на поверхности раздела фаз металл оплавленного слоя должен быть перегрет до некоторой температуры Тх. Величина этой температуры и толщина оплавленного слоя связаны с вязкостью и поверхностным натяжением жидкого металла , а также с параметрами плазменного потока в сопле, сочетание которых определяет условия эрозионного износа соплового канала. В прг-дельном случае Тх равна температуре испарения. [24]

Размер капель электродного металла определяется в первую очередь плотностью тока в электроде, а также зависит от состава металла электродного стержня и свойств электродного покрытия, диаметра электрода. Направление переноса не зависит от рода и полярности сварочного тока и пространственного положения сварки. Перенос капель жидкого металла через дуговой промежуток происходит под действием следующих факторов: силы поверхностного натяжения жидкого металла , силы электромагнитного поля, неравномерности напряженности электрического поля, внутреннего давления газов капли жидкого металла, газового дутья столба дуги, При сварке в нижнем положении переносу металла способствует также сила тяжести. [25]

Поверхностное натяжение жидкого металла

В работе для 55 элементов периодической системы рассчитаны поверхностное натяжение, критический радиус и постоянная Толмена. Для металлов с низкой температурой плавления величина поверхностного натяжения составляет доли Дж/м2, а для тугоплавких – единицы Дж/м2. Критический радиус d характеризует внутренние размерные эффекты и не превышает 10 нм для исследованных металлов.

Из 118 химических элементов, открытых на сегодняшний день, 96 относятся к металлам. Несмотря на появление большого количества неметаллических материалов, их значение в технике и в жизни человека остается огромным. При работе различных машин и механизмов во многих случаях основную роль играет поверхность металла и физико-химические процессы на его поверхности.

В настоящей работе приведены экспериментальные и теоретические результаты по поверхностному натяжению чистых
металлов.

Постоянная Толмена δ является основным параметром в термодинамике размерных эффектов. Физически она означает расстояние от поверхности натяжения до эквимолекулярной поверхности [1]. В большинстве работ считается, что экспериментальное определение постоянной Толмена принципиально невозможно, поэтому основной упор делается на ее расчетах с использованием численного моделирования [2]. В работе [3] получено выражение для постоянной Толмена:

где h - высота атомного монослоя, α показывает, во сколько раз среднеквадратичное смещение атомов на поверхности отличается от такового в объеме.

Рассчитанная по этой формуле постоянная Толмена для золота оказалась равной 0,275 nm. В настоящей работе мы рассмотрим методы экспериментального определения постоянной Толмена.

Поверхностное натяжение твердых тел

Экспериментальное определение поверхностного натяжения твердых тел затруднено тем, что их молекулы (атомы) лишены возможности свободно перемещаться. Исключение составляет пластическое течение металлов при температурах, близких к точке плавления [4].

Недавно нами были предложены методы экспериментального определения поверхностного натяжения твердых диэлектриков и магнитных материалов, основанные на универсальной зависимости физического свойства твердого тела от его размеров 6. В этой работе мы проводим сравнение нашего метода с методом «нулевой ползучести».

В методе «нулевой ползучести» (метод Таммана-Удина) образец (длинной нити, фольги) нагревают до достаточно высокой температуры, так что он начинает сокращаться по длине под действием поверхностных напряжений. К образцу прикладывается внешняя сила, поддерживающая неизменной форму образца. По величине этой силы определяют величину поверхностного натяжения. Экспериментальные данные для некоторых металлов взяты из работы [8] и приведены в табл. 1.

В работах 10 и ряде других нами получена формула, которая описывает зависимость физического свойства твердого тела от его размера:

(1)

Здесь А₀ - физическое свойство массивного образца; A(r) - физическое свойство малой частицы или тонкой пленки; d - критический радиус или критическая толщина пленки, начиная с которого проявляются размерные эффекты. Для критического радиуса нами получена формула:

(2)

Здесь σ - поверхностное натяжение массивного образца; υ - молярный объем; R - газовая постоянная; Т - температура.

В монографии японских и российских физиков [11] считается, что уменьшение температуры плавления малых частиц связано с тем, что атомы на поверхности имеют меньшее число соседей, чем в объеме, следовательно, менее крепко связаны и менее ограничены в своем тепловом движении. Там же отмечается, что обычно уменьшение температуры нанокристалла обратно пропорционально его размеру. Однако теории этого эффекта
пока нет.

Таблица 1

Экспериментальные данные по поверхностному натяжению некоторых металлов в твердой и жидкой фазах и их сравнение с нашим методом

Читайте также: