Поверхностное натяжение - раздел Образование, Классификация композиционных материалов Поверхностное Натяжение Жидкости, SЖ-Г, Равно Но Величине Е...
Поверхностное натяжение жидкости, sЖ-Г, равно но величине ее удельной поверхностной энергии или энергии, которая необходима для обратимого, изотермического образования единицы новой поверхности жидкости на границе с ее собственным насыщенным паром. Поверхностное натяжение можно рассматривать так же, как силу, действующую на единицу длины любой линии на поверхности жидкости в направлении, перпендикулярном к этой линии.
Для измерения поверхностного натяжения жидких тугоплавких металлов принципиально пригодны следующие методы.
1. Метод капиллярного поднятия, основанный на том, что в капилляре из огнеупорного материала жидкий металл, если он смачивает поверхность капилляра, поднимается на высоту, определяемую силами поверхностного натяжения жидкости.
2. Метод максимального давления в газовом пузырьке, по которому основой расчета поверхностного натяжения является величина давления газа, с помощью которого на конце опущенного в жидкость капилляра образуется пузырек.
3. Метод отрыва, основанный на измерении силы, возникающей при отрыве кольца или пластинки от поверхности смачивающей их жидкости.
4. Метод лежащей капли, который позволяет рассчитать поверхностное натяжение по форме капли жидкости, лежащей на плоской поверхности твердого тела при условии, что жидкость не полностью смачивает его.
5. Метод висящей капли, согласно которому поверхностное натяжение определяется по контуру капли максимальной массы, висящей на конце трубки небольшого диаметра или прутка из того же металла, который подвергается исследованию.
6. Метод взвешивания капли, основанный на том, что капля жидкости, образующаяся на конце прутка из того же металла, который подвергается исследованию, отрывается от него в тот момент, когда масса капли достигает силы поверхностного натяжения, удерживающей ее.
7. Метод колеблющейся струи, являющийся одним из динамических методов определения поверхностного натяжения, позволяет рассчитать величину поверхностного натяжения по форме струи, вытекающей из эллиптического отверстия.
Из перечисленных методов измерения поверхностного натяжения последние три могут рассматриваться как: бесконтактные потому, что с их помощью можно провести измерение в условиях, когда жидкий металл не соприкасается с огнеупорным материалом. Применительно к тугоплавким металлам наиболее часто используются методы висящей капли и взвешивания капли. Измерения поверхностного натяжения с помощью этих методов проводят обычно одновременно в одном эксперименте. Расчет поверхностного натяжения с помощью метода висящей капли ведется в предположении, что капля на конце прутка образуется достаточно медленно и ее профиль можно описать, пользуясь статической теорией. Тем не менее, строгое решение задачи о профиле висящей капли, на которую действуют металлостатическое давление и поверхностные силы, отсутствует, так как интегрирование уравнения отражающего изменение равновесной капли с изменением диаметра прутка и размеров капли оказывается очень сложным. Для расчета используются приближенные уравнения типа:
,
где:
dm – максимальный или экваториальный диаметр капли;
– табличная функция;
ds – диаметр капли на расстоянии dm от ее нижнего конца.
Анализ этого метода, проведенный В.Н. Еременко с сотрудниками, показал, что минимальная относительная ошибка метода достигается при значении ds/dm, близком к единице. Если ds/dm = 0,95, то оптимальный диаметр образца можно определить из выражения
,
где:
s* – приближенное значение поверхностного натяжения.
Для фиксирования формы капли широко применяется фотографирование. Часто для этой цели используют киносъемку, которая позволяет контролировать ход каждого опыта и дает возможность выбрать для расчета каплю, наиболее близкую к равновесной. Иногда размеры определяют по затвердевшей капле, но такой способ является значительно менее точным.
Уменьшению случайных ошибок при измерении поверхностного натяжения по методу висящей капли способствует предупреждение вибрации капли и выделения газов из жидкого металла. Большое значение имеет также равномерность температурного поля, окружающего каплю. Измерение размеров капли рекомендуется проводить по крайней мере за 0,05 с до ее отрыва от образца, так как расчет по форме капли в момент, близкий к отрыву, приводит к завышенным результатам поверхностного, натяжения.
Средняя ошибка измерений поверхностного натяжения в лучших работах, в которых использовали метод висящей капли, составляет 0,5-4,0%.
Метод взвешивания капли также не имеет строгих расчетных формул, так как масса отрывающейся части капли является сложный функцией радиуса образца, массы капли, постоянной капиллярности. Поэтому в расчетных формулах присутствует табличная функция, или в них вводятся полуэмпирические поправки. В первом случае расчетное уравнение, связывающее массу оторвавшейся части капли G с поверхностным натяжением, имеет вид
,
где:
r – радиус образца, на котором образуется капля;
– табличная функция;
а – капиллярная постоянная;
g – плотность жидкого металла.
Как указывает Харкинс, наиболее достоверные данные по этому методу можно получить при значениях r/а от 0,9 до 1,2 или при dобр = (1,8 ¸ 2,4) . В прецизионных исследованиях средняя относительная ошибка измерений составляет 1-5%.
Бесконтактные методы определения поверхностного натяжения (методы висящей капли и взвешивания капли) не позволяют получить данных о температурной зависимости поверхностного натяжения. Лишь для некоторых металлов, относящихся к группе тугоплавких, можно использовать методы капиллярного подъема, максимального давления в газовом пузырьке и лежащей капли, с помощью которых удается измерить поверхностное натяжение металлов при температурах, превышающих их температуру плавления. Для таких металлов, как титан или цирконий, аппаратуру, необходимую для измерения поверхностного натяжения, можно изготавливать из графита, несмотря на возникающее при измерении загрязнение металла углеродом.
Значения поверхностного натяжения жидких металлов при температуре плавления приведены в таблице 4.4.
Введение... Естественные волокнистые материалы известны с далеких времен Достаточно внимательно посмотреть на растительные и животные вещества имеющиеся на...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Поверхностное натяжение
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Цели и задачи создания композиционных материалов (КМ)
В широком смысле понятие композиционный материал (КМ) (его синонимами являются композит, композиция) – включает в себя любой материал с гетерогенной структурой (т.е. состоящий из дв
Матрицы, ориентации и типу арматуры, назначению
Армированные КМ можно классифицировать по следующим признакам. По материалу матрицы (материаловедческий принцип) все КМ можно разбить на три группы: композиции с металлической матри
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для разработки теории поведения армированных материалов при различных видах нагружения применяются макро- и микромеханический подходы. При макромеханическом подходе КМ рассматривает
И в перпендикулярном направлении
Рассмотрим, как рассчитать модули упругости армированных КМ по известным упругим характеристикам и объемным концентрациям его компонентов. Остановимся на простейшем
Армированных композиционных материалов
При растяжении происходит уменьшение диаметра образца (или – ширины, толщины). При деформации стержня относительная продольная деформация
Композиционные материалы, армированные непрерывным волокном
Развитие методов расчета прочности изделий и конструкций из КМ основывается на использовании следующих трех принципов: 1) расчетная модель и созданные на ее основе методы расчета до
Правило смесей
Так как свойства КМ определяются свойствами составляющих его матрицы и арматуры, то необходимо установить зависимость свойств КМ от концентрации (количества) этих составляющих.
Оптимальная объемная доля волокон
В соответствии с уравнением (2.19) прочность КМ должна возрастать пропорционально объемной концентрации волокон Vв. Но это уравнение способно описать прочность ком
Удельная прочность композиции
Удельная прочность композиции σуд – это отношение предела прочности материала σв к удельной массе g: σуд = σв/g. Измеряют уде
Влияние ориентации волокон на прочность КМ
В технике обычно использую анизотропные КМ с определенной симметрией свойств. При изучении их физико-механических характеристик реальный, как правило, весьма неоднородный материал п
Критическая длина волокон
Рассмотренные в разделе 2.2.1 формулы для определения прочности КМ справедливы лишь тогда, когда армирующие волокна непрерывны. Если же КМ армированы короткими (дискретными) волокнами, следует учит
Правило смесей
Прочность в направлении армирования для КМ, упроченных параллельными отрезками волокон, можно оценить по правилу смесей с учетом концевого эффекта. Рассмотрим, какое влияние оказыва
Распределение напряжений по длине волокон
Выше уже говорилось о том, что от матрицы к волокну нагрузка передается касательными напряжениями τ, действующими на границе раздела. Эти напряжения, как и нормальные напряжения в волокнах, на
Статистическая модель разрушения композиционных материалов
Статистическая модель разрушения КМ используется для определения прочности КМ, армированных пучком (или пучками) волокон. Эта модель учитывает возможный разброс свойств волокон по длине.
Е
Статистическая прочность композиционных материалов
Поскольку нормальные напряжения у концов волокон малы, волокна здесь оказываются недогруженными. В результате часть волокна неэффективна как элемент, несущий нагрузку. Длина этой части зависит от с
Прочность пучка волокон
Вначале рассмотрим, как зависит вероятность разрушения одного волокна от его длины.
Волокно длиной l мысленно разделим на равные отрезки, длина которых равна диаметру dв
Формирование и развитие трещин в КМ
В предыдущем разделе было показано, что использование правила аддитивности (правила смесей) и статистической теории для оценки прочности КМ дают зачастую противоречивые результаты. Полезным дополне
Прочность КМ на сжатие
Изучая поведение КМ при одноосном сжатии вдоль волокна, рассматривают двумерную модель (рис. 2.20). Она состоит из жестких параллельных пластинок-волокон единичной толщины с длиной l и ширин
Методы определения механических свойств армированных КМ
Новые КМ разрабатывают обычно в два этапа. На первом этапе – расчетном – анализируют предполагаемые условия нагружения конструкции из КМ и оценивают возможности материала, рассчитывая его упругие к
Растяжение
Испытание материалов на одноосное растяжение – традиционно самый распространенный вид механических испытаний. При растяжении ортотропных КМ в направлении главных осей симметрии можно определить мод
Трехточечный изгиб
Наиболее распространен такой его вид, когда свободно опирающийся на две опоры образец нагружен в середине пролета сосредоточенной силой Р (рис. 3.7, а). Рассчитывая модуль упругости слоистых
Чистый изгиб
Образец - балка нагружен сосредоточенными изгибающими моментами по его концам (рис. 3.7, б). Практически этот изгиб осуществляют, поворачивая специальные блоки-головки, в которых закрепляют концы о
Четырехточечный изгиб
Изгиб по этой схеме можно проводить двумя способами. По первому способу (рис. 3.7, в) две одинаковые силы Р прикладывают внутри пролета на одинаковом расстоянии а от опор; по второму
Растяжение
Испытания на растяжение проводят, нагружая жесткие полудиски, на которые одето испытываемое кольцо (рис. 3.9, а). Предварительно контактирующие поверхности колец и полудисков смазывают графитовыми
Микроскопический анализ
Микроскопический анализ армированных КМ является важным методом определения их структуры, а следовательно, и эксплуатационных свойств. В процессе изготовления и эксплуатации КМ могут сформироваться
Фрактографический анализ
Фактографический анализ (изучение структуры поверхности разрушения, т.е. изломов) является эффективным средством анализа причин эксплуатационных повреждений в КМ.
При хрупком внутризеренно
Термодинамическая и кинетическая совместимость компонентов
Большинство КМ – представители термодинамически неравновесных систем, для которых характерно наличие развитой сети внутренних границ раздела и градиентов химических потенциалов элементов в матрице
Виды межфазного взаимодействия
В соответствии с классификацией А. Меткалфа по видам межфазного взаимодействия все КМ делятся на три класса. К первому относятся КМ, у которых волокна и матрица взаимно нерастворимы и не образуют х
Типы связей между компонентами
В КМ связи между матрицей и волокнами могут быть шести типов. Механическая связь (рис. 4.2, а) осуществляется за счет чисто механического зацепления неровностей контактирующих поверхностей матрицы
Уравнения Фика
Первый закон Фика. Уравнение первого закона Фика для одномерной диффузии в направлении х записывается в виде:
Диффузия в полуограниченный образец
При диффузии в полуограниченный образец (0 < х < ¥) с нулевой начальной концентрацией С (х, 0) = 0 из другого полуограниченного образца (– ¥ < х< 0) с посто
Диффузионное растворение цилиндрического включения в матрице
Если самодиффузия внутри включения мала по сравнению с диффузией в матрице, толщина переходного слоя значительно меньше размеров включения и на границе включения с матрицей выполняется условие терм
Смачивание и растекание
Способность смачивать твердые тела – важная характеристика взаимодействия жидкости с поверхностью твердого тела. На практике с явлением смачивания приходится встречаться при плавке, нанесении защит
Поверхностная энергия твердых тел
Строго говоря, поверхность кристаллических тел имеет свободную поверхностную энергию (скаляр) и поверхностное натяжение (тензор) в отличие от жидкостей, для которых поверхностное натяжение и энерги
Твердое тело - жидкость
К сожалению, до настоящего времени отсутствуют надежные экспериментальные методы определения свободной поверхностной энергии на границе твердое тело - жидкость. Однако отдельные попытки, эксперимен
,
– табличная функция;
,
,
– табличная функция;
. В прецизионных исследованиях средняя относительная ошибка измерений составляет 1-5%.
Новости и инфо для студентов