三、表面張力及其對(duì)成型過(guò)程的影響

１表面張力的實(shí)質(zhì)

表面張力是表面上存在的一個(gè)平行于表面且各向大小相等的張力。表面張力是由于物質(zhì)

在表面上的質(zhì)點(diǎn)受力不均勻而產(chǎn)生的。對(duì)于液體和氣體界面上的質(zhì)點(diǎn) （原子或分子），由于

液體的密度大于氣體的密度，故氣相對(duì)它的作用力遠(yuǎn)小于液體內(nèi)部對(duì)它的作用力，使表面層

質(zhì)點(diǎn)處于不平衡的力場(chǎng)之中。結(jié)果是表面層質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)指向液體內(nèi)部的力，使液體表面有

自動(dòng)縮小的趨勢(shì)。

從物理化學(xué)可知，表面自由能是產(chǎn)生新的單位面積表面時(shí)系統(tǒng)自由能的增量。設(shè)恒溫、

恒壓下表面自由能的增量為ΔＦ，表面自由能為σ。

顯然，根據(jù)形成表面張力的原因可以推知，不僅在上述的液氣界面，

而且在所有兩相界面，如固氣、液固、液液上都存在表面張力。故廣義地說(shuō)，表面

張力應(yīng)稱(chēng)為界面張力，可分別用σ固氣 、σ液固 、σ液液 表示之，不特別指明時(shí)，通常皆指

與氣相的界面張力。

衡量界面張力的標(biāo)志是潤(rùn)濕角θ，它與界面張力的關(guān)系由楊氏方程決定。

式（１１２）稱(chēng)為楊氏方程式，可以看出，接觸

θ的值與各界面張力的相對(duì)值有關(guān)，如圖１１０。

①σＳＧ＞σＬＳ時(shí)，ｃｏｓθ為正值，即θ＜９０°。通θ為銳角的情況，稱(chēng)為液體能潤(rùn)濕固體。θ＝

，液體在固體表面鋪展成薄膜，稱(chēng)為完全。

②σＳＧ＜σＬＳ時(shí)，ｃｏｓθ為負(fù)值，即θ＞９０°。此情況下，液體傾向于形成球狀，稱(chēng)之為液體能潤(rùn)濕固體。θ＝１８０°為完全不潤(rùn)濕。

２影響界面張力的因素

（１）熔點(diǎn)　原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)高，表面張力也大。表１３為幾種金屬的熔和表面張力。

（２）溫度　對(duì)于多數(shù)金屬和合金，

度升高，表面張力降低，即ｄσｄｔ＜０。這因?yàn)?，溫度升高時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)間距增，表面質(zhì)點(diǎn)的受力不對(duì)稱(chēng)性減弱，因表面張力降低。當(dāng)達(dá)到液體的臨界溫時(shí)，由于氣液兩相界面消失，表面張等于零。但是，對(duì)于某些合金，如鑄

、碳鋼、銅及其合金等，其表面張力隨溫度的升高而增大，即ｄσｄｔ＞０。如圖１所示。

如果因鑄件斷面溫度場(chǎng)較平坦 ［圖１３４（ａ）］，或合金的結(jié)晶溫度范圍很寬 ［圖１３４

（ｂ）］，鑄件凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，其凝固區(qū)域在某時(shí)刻貫穿整個(gè)鑄件斷面時(shí)，則在凝固區(qū)

域里既有已結(jié)晶的晶體也有未凝固的液體，這種情況為 “體積凝固方式”，或稱(chēng) “糊狀凝固

方式”。

如果合金的結(jié)晶溫度范圍較窄 ［圖１３５（ａ）］，或者鑄件斷面的溫度梯度較大 ［圖１３５

圖１３５　 “中間凝固方式”示意圖

（ｂ）］，鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谇?

二者之間時(shí)，則屬于 “中間凝固方式”。

凝固區(qū)域的寬度可以根據(jù)凝固動(dòng)態(tài)曲

線上的 “液相邊界”與 “固相邊界”之間

的縱向距離直接判斷。因此，這個(gè)距離的

大小是劃分凝固方式的一個(gè)準(zhǔn)則。如果兩

條曲線重合在一起———恒溫下結(jié)晶的金屬，

或者其間距很小，則趨向于逐層凝固方式。