4.6.1. Поверхностное натяжение

Поверхностное натяжение жидкости, _Ж-Г, равно но величине ее удельной поверхностной энергии или энергии, которая необходима для обратимого, изотермического образования единицы новой поверхности жидкости на границе с ее собственным насыщенным паром. Поверхностное натяжение можно рассматривать так же, как силу, действующую на единицу длины любой линии на поверхности жидкости в направлении, перпендикулярном к этой линии.

Для измерения поверхностного натяжения жидких тугоплавких металлов принципиально пригодны следующие методы.

1. Метод капиллярного поднятия, основанный на том, что в капилляре из огнеупорного материала жидкий металл, если он смачивает поверхность капилляра, поднимается на высоту, определяемую силами поверхностного натяжения жидкости.

2. Метод максимального давления в газовом пузырьке, по которому основой расчета поверхностного натяжения является величина давления газа, с помощью которого на конце опущенного в жидкость капилляра образуется пузырек.

3. Метод отрыва, основанный на измерении силы, возникающей при отрыве кольца или пластинки от поверхности смачивающей их жидкости.

4. Метод лежащей капли, который позволяет рассчитать поверхностное натяжение по форме капли жидкости, лежащей на плоской поверхности твердого тела при условии, что жидкость не полностью смачивает его.

5. Метод висящей капли, согласно которому поверхностное натяжение определяется по контуру капли максимальной массы, висящей на конце трубки небольшого диаметра или прутка из того же металла, который подвергается исследованию.

6. Метод взвешивания капли, основанный на том, что капля жидкости, образующаяся на конце прутка из того же металла, который подвергается исследованию, отрывается от него в тот момент, когда масса капли достигает силы поверхностного натяжения, удерживающей ее.

7. Метод колеблющейся струи, являющийся одним из динамических методов определения поверхностного натяжения, позволяет рассчитать величину поверхностного натяжения по форме струи, вытекающей из эллиптического отверстия.

Из перечисленных методов измерения поверхностного натяжения последние три могут рассматриваться как: бесконтактные потому, что с их помощью можно провести измерение в условиях, когда жидкий металл не соприкасается с огнеупорным материалом. Применительно к тугоплавким металлам наиболее часто используются методы висящей капли и взвешивания капли. Измерения поверхностного натяжения с помощью этих методов проводят обычно одновременно в одном эксперименте. Расчет поверхностного натяжения с помощью метода висящей капли ведется в предположении, что капля на конце прутка образуется достаточно медленно и ее профиль можно описать, пользуясь статической теорией. Тем не менее, строгое решение задачи о профиле висящей капли, на которую действуют металлостатическое давление и поверхностные силы, отсутствует, так как интегрирование уравнения отражающего изменение равновесной капли с изменением диаметра прутка и размеров капли оказывается очень сложным. Для расчета используются приближенные уравнения типа:

,

где:

d_m – максимальный или экваториальный диаметр капли;

– табличная функция;

d_s – диаметр капли на расстоянии d_m от ее нижнего конца.

Анализ этого метода, проведенный В.Н. Еременко с сотрудниками, показал, что минимальная относительная ошибка метода достигается при значении d_s/d_m, близком к единице. Если d_s/d_m = 0,95, то оптимальный диаметр образца можно определить из выражения

,

где:

* – приближенное значение поверхностного натяжения.

Для фиксирования формы капли широко применяется фотографирование. Часто для этой цели используют киносъемку, которая позволяет контролировать ход каждого опыта и дает возможность выбрать для расчета каплю, наиболее близкую к равновесной. Иногда размеры определяют по затвердевшей капле, но такой способ является значительно менее точным.

Уменьшению случайных ошибок при измерении поверхностного натяжения по методу висящей капли способствует предупреждение вибрации капли и выделения газов из жидкого металла. Большое значение имеет также равномерность температурного поля, окружающего каплю. Измерение размеров капли рекомендуется проводить по крайней мере за 0,05 с до ее отрыва от образца, так как расчет по форме капли в момент, близкий к отрыву, приводит к завышенным результатам поверхностного, натяжения.

Средняя ошибка измерений поверхностного натяжения в лучших работах, в которых использовали метод висящей капли, составляет 0,5-4,0%.

Метод взвешивания капли также не имеет строгих расчетных формул, так как масса отрывающейся части капли является сложный функцией радиуса образца, массы капли, постоянной капиллярности. Поэтому в расчетных формулах присутствует табличная функция, или в них вводятся полуэмпирические поправки. В первом случае расчетное уравнение, связывающее массу оторвавшейся части капли G с поверхностным натяжением, имеет вид

,

где:

r – радиус образца, на котором образуется капля;

– табличная функция;

а – капиллярная постоянная;

 – плотность жидкого металла.

Как указывает Харкинс, наиболее достоверные данные по этому методу можно получить при значениях r/а от 0,9 до 1,2 или при d_обр = (1,8  2,4) . В прецизионных исследованиях средняя относительная ошибка измерений составляет 1-5%.

Бесконтактные методы определения поверхностного натяжения (методы висящей капли и взвешивания капли) не позволяют получить данных о температурной зависимости поверхностного натяжения. Лишь для некоторых металлов, относящихся к группе тугоплавких, можно использовать методы капиллярного подъема, максимального давления в газовом пузырьке и лежащей капли, с помощью которых удается измерить поверхностное натяжение металлов при температурах, превышающих их температуру плавления. Для таких металлов, как титан или цирконий, аппаратуру, необходимую для измерения поверхностного натяжения, можно изготавливать из графита, несмотря на возникающее при измерении загрязнение металла углеродом.

Значения поверхностного натяжения жидких металлов при температуре плавления приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.4