三、表面張力及其對成型過程的影響

１表面張力的實質

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

在表面上的質點受力不均勻而產生的。對于液體和氣體界面上的質點 （原子或分子），由于

液體的密度大于氣體的密度，故氣相對它的作用力遠小于液體內部對它的作用力，使表面層

質點處于不平衡的力場之中。結果是表面層質點受到一個指向液體內部的力，使液體表面有

自動縮小的趨勢。

從物理化學可知，表面自由能是產生新的單位面積表面時系統(tǒng)自由能的增量。設恒溫、

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，表面

張力應稱為界面張力，可分別用σ固氣 、σ液固 、σ液液 表示之，不特別指明時，通常皆指

與氣相的界面張力。

衡量界面張力的標志是潤濕角θ，它與界面張力的關系由楊氏方程決定。

式（１１２）稱為楊氏方程式，可以看出，接觸

θ的值與各界面張力的相對值有關，如圖１１０。

①σＳＧ＞σＬＳ時，ｃｏｓθ為正值，即θ＜９０°。通θ為銳角的情況，稱為液體能潤濕固體。θ＝

，液體在固體表面鋪展成薄膜，稱為完全。

②σＳＧ＜σＬＳ時，ｃｏｓθ為負值，即θ＞９０°。此情況下，液體傾向于形成球狀，稱之為液體能潤濕固體。θ＝１８０°為完全不潤濕。

２影響界面張力的因素

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

（２）溫度　對于多數(shù)金屬和合金，

度升高，表面張力降低，即ｄσｄｔ＜０。這因為，溫度升高時，液體質點間距增，表面質點的受力不對稱性減弱，因表面張力降低。當達到液體的臨界溫時，由于氣液兩相界面消失，表面張等于零。但是，對于某些合金，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較平坦 ［圖１３４（ａ）］，或合金的結晶溫度范圍很寬 ［圖１３４

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

域里既有已結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 “糊狀凝固

方式”。

如果合金的結晶溫度范圍較窄 ［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)域寬度介于前

二者之間時，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，這個距離的

大小是劃分凝固方式的一個準則。如果兩

條曲線重合在一起———恒溫下結晶的金屬，

或者其間距很小，則趨向于逐層凝固方式。