2.3.2.3. Определение поверхностного натяжения

Сложности определения поверхностного натяжения расплав­ ленных металлов заключаются в высокой температуре жидкости. Наибольшее распространение получили методы капиллярного под­ нятия, максимального давления пузырька газа, а также методы, в которых измеряют размеры и геометрию капель расплавленного металла.

Метод висящей капли заключается в нагревании проволоки известного диаметра так, чтобы на ее конце образовалась капля, удерживаемая силами поверхностного натяжения. Как только они сравняются с массой капли, она срывается с конца проволоки. По массе капли G и находят поверхностное натяжение,

G

а = -----.

2пг

Метод капиллярного поднятия основан на измерении высоты подъема жидкости в капилляре. Расчет ведется по уже известной формуле высоты подъема жидкости. Предварительно необходимо найти краевой угол смачивания. В металлургических исследованиях этот метод используется редко.

Метод лежащей капли получил достаточно большое распро­ странение. Сущность его заключается в фотографировании или рент­ геносъемке капли расплавленного металла или шлака, лежащей на изучаемой подложке. Ее изображение увеличивают, измеряют гео­ метрические параметры капли и краевой угол смачивания. По массе капли и по вычисленному объему определяют поверхностное натя­ жение, краевой угол смачивания, межфазную энергию. По массе ка­ пли и по вычисленному объему можно дополнительно определить плотность жидкого металла при данной температуре. Недостатком метода до широкого использования ЭВМ считалась трудоемкость расчетов.

Метод максимального давления в пузырьке газа также находит применение для расплавленных металлов и шлаков. Капилляр, изго­ товленный из материала, инертного по отношению к расплаву, по­ гружают в жидкий металл или шлак на глубину А. Через него проду­ вают инертный газ и измеряют манометром максимальное давление, необходимое для отрыва пузырька с конца капилляра. Общее давле­

ние р, при котором отрывается пузырек, равно сумме сил поверхно­ стного натяжения и гидростатического давления:

2ст г.

Р =— + «*Р-

Г

Несмотря на сложности подбора материалов для капилляров, установки, работающие по данному методу, позволяют проводить исследования с высокой точностью.

2.3.3. Вязкость и методы определения

Одним из основных свойств жидкостей, в том числе расплав­ ленных металлов и шлаков, является вязкость (внутреннее трение). В общем случае для газов, жидкостей и твердых тел вязкость харак­ теризует сопротивление их течению (для твердых тел - развитию ос­ таточной деформации). Внутренне трение в жидкостях возникает в результате межчастичного взаимодействия и потому является наи­ более структурно-чувствительной характеристикой. Величина, об­ ратная вязкости, называется текучестью.

Различают динамическую и кинематическую вязкости. Динами­ ческая вязкость, или коэффициент внутреннего трения, определяется из основного закона вязкого течения жидкости, установленного Ньютоном. В современном виде он выражается уравнением

Т7 dv

где ^трсила внутреннего трения (Н); s - площадь соприкасающихся слоев (м2); dv/dx - градиент скорости слоев ( с '); я - коэффициент динамической вязкости, или просто динамическая вязкость. Единицы СИ динамической вязкости: [г]] = паскаль-секунда (Па-с) = Н-с/м2 =

=кг/(м-с).

Впрежней системе единиц вязкость измерялась в пуазах (П),

при этом 1 пуаз (П) = 0,1 Па-с.

Величина вязкости жидкости зависит от ее природы и уменьша­ ется с повышением температуры. В табл. 3 приведены значения вяз­ кости некоторых расплавленных металлов, сплавов, шлаков и других жидких веществ.

Рис. 20. Совмещенные диаграммы «состав - вязкость»:

а- для сплавов А1 - Си, б - для сплавов А1 - Si

Сплавы микронеоднородны по составу (гетерогенны), чем больше в них твердых включений, тем выше вязкость. Влияние на вязкость частиц, имеющих округлую форму, может быть определено по формуле А. Эйнштейна:

Л = Ло(1+ 2,5К0),

где г|0 - вязкость гомогенной жидкости; V0 - доля объема, занимае­ мая частицами нерастворимых примесей (относительный объем включений Квкл/Кж). '

Когда относительный объем включений достигает 8 %, начина­ ется лавинообразное увеличение вязкости. Жидкие сплавы при таком количестве твердых частиц теряют способность течь.

Вязкость жидкостей измеряется при помощи приборов, назы­ ваемых вискозиметрами. Измерение вязкости металлических распла­ вов (особенно тугоплавких металлов и сплавов), как и поверхностно­ го натяжения, затрудняется из-за высоких температур, при которых приходится вести испытания.

Метод падающего шарика основан на решении задачи Стокса, в которой рассматриваются закономерности стационарного движе­ ния сферического тела в неограниченно вязкой среде. Скорость сво­ бодного падения шарика в такой жидкости выражается уравнением:

v _ 2r2g(pu - р ж)

9Л

где v - скорость равномерного движения шарика; г - радиус шарика; g - ускорение силы тяжести; ршплотность шарика; рж - плотность жидкости; г| - динамическая вязкость.

Трудности использования этого метода для расплавов заключа­ ются в необходимости контролировать движение шарика в непро­ зрачной жидкости и сложности выбора материала шарика, инертного к расплаву.

Метод капиллярного истечения

использовался в наиболее ранних работах Ф. Зауервальда и его сотрудников. В этом методе измеряют объем жидкости, проте­ кающей по капилляру, соединяющему два широких резервуара (рис. 21). Вязкость рассчитывают по формуле Пуазейля:

в единицу времени; / - длина капилляра.