При плавлении большинства металлов наблюдается скачкооб­ разное увеличение объема на величину от 3 до 6 %. В соответствии с этим скачкообразно уменьшается и плотность. У некоторых метал­ лов и неметаллов наблюдается обратная картина. При плавлении висмута, кремния, сурьмы, галлия и германия объем уменьшается (от 3 до 10%), а плотность соответственно возрастает. Увеличение или уменьшение плотности объясняется изменением структуры и ко­ личества дефектов. Так, по Я. Френкелю, уменьшение плотности жидких металлов связано с увеличением объема вещества на величи­ ну, равную сумме образовавшихся дырок. При дальнейшем нагреве любых жидких веществ плотность уменьшается.

При сплавлении нескольких элементов и образовании сплава объем сплава по сравнению с суммарным объемом компонентов не­ сколько уменьшается. Но при расчетах этим можно пренебречь и оп­ ределять плотность сплава по правилу аддитивности, т.е. суммиро­ вать плотности компонентов с учетом их содержания в сплаве. Так, плотность сплава из компонентов А и В

РАН - { * а Р а ) + ( х В р Н ) 5

где рл, рн - плотность компонентов; хА, хп - доля компонентов в сплаве.

2.3.2. Поверхностное натяжение

Важную роль в металлургических процессах плавки и разливки литейных сплавов играют поверхностные свойства расплавов, а именно поверхностное натяжение на границе жидкого металла с га­ зами или твердыми телами. Поверхностное натяжение оказывает су­ щественное влияние на кинетику процессов плавления, раскисления, кристаллизации, а значит, и на качество отливок. Значение поверх­ ностных свойств для развития теории металлургических процессов заключается в том, что они позволяют точнее раскрыть строение жидких расплавов.

Жидкие вещества обладают способностью сокращать свою по­ верхность. Особенно ярко это проявляется в шарообразной форме мелких капель любых жидкостей (при одинаковом объеме шар имеет наименьшую поверхность из всех других геометрических фигур).

Сокращение поверхности объясняется тем, что частицы вещества, расположенные на поверхности жидкости, притягиваются соседями, находящимися по сторонам и под ними. Со стороны свободной по­ верхности силы притяжения практически отсутствуют или пренеб­ режительно малы (рис. 15), так как в газовой фазе молекулы вещест­ ва находятся в виде пара в незначительном количестве и на больших расстояниях друг от друга. Каждая частица на поверхности жидкости оказывается под действием результирующей силы F, направленной внутрь жидкости. Эта сила стремится переместить молекулы поверх­ ностного слоя внутрь жидкости и тем самым сжимает и уменьшает ее поверхность. Внутри жидкости каждая частица вещества находится в уравновешенном состоянии.

Рис. 15. Схема возникновения поверхностного натяжения

Из схемы следует, что поверхностное натяжение обязательно появится на поверхности любой конденсированной фазы (жидкости или твердого тела), на границе раздела с газом или с собственным паром. В твердых телах поверхностным натяжением можно пренеб­ речь, так как втягивающая сила мала по сравнению с прочностью вещества.

Поверхностное натяжение наблюдается и на границе двух кон­ денсированных фаз (твердой и жидкой). В этом случае его принято называть межфазным натяжением.

Итак, все молекулы на поверхности жидкости обладают опреде­ ленной поверхностной энергией. Поверхностное натяжение а, отра­ жающее плотность этой энергии, можно выразить как отношение ра­ боты (Л), требующейся для увеличения единицы площади поверхно­ сти, к величине приращения этой площади (Ал):

А

а =— . As

Размерность поверхностного натяжения а в системе СИ - Дж/м2 = Н/м = кг/с2 (до 1980 г. применялась другая размерность а - дин/см =эрг/см)2 Поверхностное натяжение жидкости можно опре­ делить экспериментально, измеряя силу отрыва проволочной рамки, опущенной в жидкость, как показано на рис. 16, а, или усилие пере­ мещения стенки рамки заполненной жидкостью.

Рис. 16. Схемы для определения поверхностного натяжения рамкой (а) и давления внутри шарообразной капли (б)

С учетом того, что работа равна произведению силы F на вели­ чину перемещения рамки АЛ:

А= FAh,

аизменение площади поверхности по обе стороны рамки с шири­ ной / (поверхностный слой имеется с обеих сторон рамки) составит

As = 2АМ,

поверхностное натяжение

_ FAh _ F

G ~ 2АЫ ~ 21

Поверхностное натяжение не зависит от высоты подъема рамки. Его определяют путем постепенного увеличения силы на ничтожно малую величину до тех пор, пока не начнется движение рамки. Мож­ но сказать, что поверхностное натяжение равно силе, действующей со стороны поверхностного слоя на единицу длины контура, ограни­ чивающего этот слой.

Зная поверхностное натяжение, можно определить дополни­ тельное давление (рд) внутри шарообразной капли жидкости или давление внутри пузырька газа в жидкости, вызванное поверхност­ ным натяжением. Для увеличения радиуса г шарика (см. рис. 16, б) на величину Дг или увеличения площади его поверхности s на вели­ чину As надо затратить работу А, равную приращению поверхност­ ной энергии:

Если отбросить величину Дг2, которая « 2 г Аг, то получим

А- о -8лгДг.

Вэто же время затраченная работа равна произведению давле­ ния внутри капли на изменение объема капли:

А= pAAV - рА*4л г2Аг.

Приравняв эти выражения, получим

a As = pRAV или а • 8л гАг = рл • 4л г2Аг.

Отсюда давление внутри капли жидкости или давление внутри пузырька газа в жидкости

2а

г

Таким образом, давление будет тем больше, чем меньше радиус капли или пузырька газа. К этому выражению мы еще вернемся при изучении капиллярных давлений.

Величина поверхностного натяжения каждой жидкости зависит от природы среды, с которой она граничит. Чаще всего изучают по­

ведение жидкостей, граничащих с воздухом. Численные значения по­ верхностного натяжения для некоторых жидкостей приведены ниже:

При повышении температуры поверхностное натяжение умень­ шается, так как в газовой фазе увеличивается давление пара жидко­ сти, а значит, и притяжение граничных молекул жидкости с молеку­ лами пара. При температуре кипения оно становится равным нулю. Зависимость поверхностного натяжения от температуры может быть выражена уравнением

_ da

7 ~ ° Тпл ~ dT(T-T„„Y

где ат- поверхностное натяжение при произвольной температуре Т\ а 7пл - поверхностное натяжение при темпера туре плавления Гпл.

Например, для расплавленного алюминия эта зависимость имеет следующий вид:

Fe - Мо. При добавлении металла с бона поверхностное натяжение лее низкой температурой поверхностное натяжение уменьшается (Си - Al, А1 - Mg) (см. рис. 17, кр. 2). Компоненты А и В, при сплав­ лении которых наблюдаются небольшие изменения поверхностного натяжения, называются инактивными.