Глава первая

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ И ЯВЛЕНИЙ

Поверхностные свойства (поверхностное и межфазное натяжения) и поверхностные явления (смачиваемость, адсорбция, электрокапиллярные явления) оказывают существенное влияние на многие стороны процессов сварки и наплавки. Образование дефектов, свариваемость разнородных металлов и композиционных материалов, гидродинамические процессы в сварочной ванне и многое другое в той или иной мере связаны с поверхностными свойствами и явлениями. Поэтому их необходимо знать и учитывать при разработке техпроцессов сварки и наплавки.

В данной главе описаны методы исследования поверхностных свойств и явлений, а также дан анализ результатов их определения.

1. Современные представления

Одним из основных свойств жидких и твердых тел является наличие свободной поверхностной энергии, которая проявляется в хорошо известном стремлении жидкости принять форму с минимальной поверхностью. Это стремление поверхности жидкости к сокращению обусловлено силами межмолекулярного взаимодействия и объясняется следующим образом. Молекулы, находящиеся в объеме жидкости (рис. 1), окружены со всех сторон другими молекулами и испытывают в среднем одинаковое притяжение во всех направлениях. В иных условиях находятся молекулы, расположенные на поверхности жидкости или вблизи от нее на расстоянии, меньшем радиуса действия молекулярных сил. В этом случае каждая молекула испытывает притяжение, направленное внутрь и в стороны, и не испытывает уравновешивающего притяжения со стороны газообразной фазы, поскольку в ней число молекул значительно меньше, чем в жидкости. В результате переход молекул с поверхности в объем жидкости преобладает над переходом молекул из объема на поверхность. Это вызовет уменьшение числа молекул на поверхности, а следовательно, и сокращение самой поверхности, которое продолжается до тех пер, пока площадь поверхности не станет минимальной.

Самопроизвольное сокращение поверхности жидкости без затраты энергии свидетельствует о существовании свободной энергии поверхности. Значит, для увеличения поверхности жидкости необходимо совершить некоторую работу. Величина, численно равная работе

обратимого изотермического образования единицы поверхности жидкого или твердого тела, называется коэффициентом поверхостного натяжения, или удельной свободной поверхностной энергией. В литературе обычно пользуются термином «поверхностное натяжение»/ который является лишь математическим понятием, эквивалентным понятию свободной поверхностной энергии. Однако пользуясь этим термином, следует помнить, что реального натяжения вдоль поверхности жидкости не существует.

Свободной поверхностной энергией обладают также поверхности раздела между любыми соприкасающимися телами, которые могут быть и жидкими, и твердыми. В этом случае избыток свободной энергии чаще всего называют межфазной свободной энергией. Величина межфазного натяжения обусловлена преимущественным притяжением одной из фаз частиц пограничного слоя. При этом величина межфазного натяжения тем больше, чем сильнее выражена асимметрия силовых полей.

Образование молекулярных связей на границе раздела между соприкасающимися фазами требует затраты ра-

боты на их разделение. Эта работа, г \ называемая работой адгезии, в случае ^—¿1 соприкосновения двух несмешиваю-щихся жидкостей равна сумме поверхностных натяжений каждой из фаз минус межфазное натяжение на границе раздела и определяется из уравнения Дюпреп

гРис. 1. Расположение молекул в

Ц7 = ол ов— Сдв, (1-1) объеме металла и поверхностном

где оа, ов — поверхностное натяжение соответственно фаз А и В; адв — межфазное натяжение на границе между фазами А и В.

Работу адгезии определить непосредственно нельзя, ее можно лишь подсчитать по формуле (1.1), предварительно найдя величины Од, с в и аАВ.

В случае разрыва однородной жидкости работа образования новой поверхности, называемая работой когезии, подсчитывается по формуле

Ук = 2од.(1.2)

Следовательно, работа адгезии является мерой взаимодействия частиц на границе раздела двух фаз или тел, а работа когезии характеризует силы связи частиц внутри тела.

Понятия адгезия и когезия применимы как к жидким, так и к твердым телам. Знание этих величин часто имеет очень важное значение, поскольку они позволяют судить о соотношении сил притяжения между молекулами отдельной фазы и между молекулами различных