表面张力对充型过程的影响及克服方法

本小节的主要内容为与表面张力相关的概念、影响表面张力的因素和对材料成形过程的意义，其中需要掌握的考点如下。

1.表面

表面是指液体或固体同空气（真空）接触的界面。

2.表面张力

表面张力是指表面层上的分子或原子受力不均匀，产生指向液体内部的合力。

3.界面张力

界面张力是指任意两相（固-固、固-液、固-气、液-气）接触时，在交界面上产生的力。

4.润湿角

润湿角是指固液两相接触点处，液固界面与液态表面切线的夹角。

润湿角是衡量界面张力的标志，图1-3中的θ为润湿角。界面张力达到平衡时，存在如图1-3所示关系。

图1-3　润湿角与界面张力

σSG=σLS+σLGcosθ　（1-1）

式中：σSG为固-气界面张力；σLS为液-固界面张力；σLG为液-气界面张力。(www.xing528.com)

5.影响表面张力的因素

熔点：熔点高表面张力大。

温度：温度升高表面张力降低。

溶质元素包括表面活性元素和非表面活性元素。

（1）表面活性元素：表面张力降低。正吸附，表面浓度高（破坏表面原子排列，表面结构不稳定）。

（2）非表面活性元素：表面张力增大。负吸附，表面浓度低。

6.表面或界面张力在材料成形过程中的意义

在材料加工过程中常会出现毛细现象，表面张力即毛细现象出现的原因。图1-4为毛细管效应示意图，图（a）为液体润湿玻璃管（θ＜90°），管内液面上升，且呈凹面状；图（b）为液体不润湿玻璃管（θ＞90°），管内液面下降，且呈凸面状。图中：θ为润湿角；h为管内液柱上升的高度。

图1-4　毛细管效应示意图

（a）液体润湿管壁（θ＜90°）；（b）液体不润湿管壁（θ＞90°）

（h为负则表明液体在毛细管中下降）

式中：σ为液体表面张力；ρ为液体密度；r为管子半径。

液态成形过程中，选择与液态合金不润湿的铸型材料或涂层，可提高表面平整度。同样表面张力导致的附加压力对充型过程会产生阻力，需要提高浇注温度和压力来克服。