Tension superficielle

La tension de surface des métaux et alliages liquides est un paramètre important intervenant dans de nombreux procédés d’élaboration et de mise en forme des matériaux.

Ainsi, cette grandeur influence l’aptitude d’un liquide à mouiller la surface d’un solide. Les phénomènes de mouillage sont d’une grande importance dans le procédé de galvanisation des aciers par immersion et dans l’élaboration des matériaux composites par des techniques d’infiltration d’un liquide dans une préforme constituée du matériau de renfort. De même, ces phénomènes sont essentiels dans l’assemblage de pièces solides par des alliages de brasure.

Les variations de tension de surface en fonction de la température et/ou de la composition du liquide entraînent des mouvements convectifs dans le liquide, connus sous le nom de convection Marangoni. Ce type de convection devient prédominant dans le cas de films minces (de l’ordre du millimètre) et, pour cette raison, détermine la forme du cordon de pénétration en soudage. Dans cette opération, le rôle des impuretés tensioactives s’avère décisif, dans la mesure où elles modifient sensiblement la tension de surface. De même, dans l’élaboration et l’affinage de l’acier par exemple, la convection Marangoni est à l’origine d’une corrosion préférentielle des réfractaires ayant lieu aux lignes de rencontre des trois phases solide/bain fondu/gaz.

Par ailleurs, il existe tout un ensemble de procédés dans lesquels on cherche à disperser un métal ou un alliage sous forme de gouttelettes (techniques d’atomisation par jet de gaz, disque tournant, électrode consommable tournante...). Une fois formées, ces gouttelettes peuvent être soit solidifiées pour obtenir une poudre, soit projetées sur une surface pour créer un revêtement. Le point commun de ces procédés est la création d’une grande quantité de surface libre du métal liquide, et la tension de surface est, à ce titre, un facteur clef dans la formation et la distribution de taille des gouttes.

Cet article présente une revue des résultats expérimentaux de la littérature pour la tension de surface et le coefficient de température des métaux purs. Notre travail est fortement inspiré de la revue de L.D. Lucas publiée dans ce traité en 1984. Dans sa compilation, Lucas a pour l’essentiel rapporté les résultats des travaux de la période 1960-1980, motivés le plus souvent par les applications des phénomènes de surface en sidérurgie d’élaboration et en fonderie. Plusieurs de ces travaux ont été réalisés dans les pays de l’Est, principalement en Ukraine et en Russie, mais aussi dans la remarquable École de capillarité formée à l’IRSID autour du Professeur Kozakevitch, dont Lucas faisait précisément partie.

Depuis une quinzaine d’années, notre connaissance des propriétés énergé-tiques des surfaces métalliques liquides a progressé grâce, notamment, aux nombreuses études effectuées dans le cadre des recherches sur le comportement des fluides en microgravité. Les déterminations les plus récentes de tensions de surface et de leur évolution en fonction de la température ont pu, en particulier, bénéficier des progrès sensibles réalisés dans le contrôle de l’atmo-sphère des installations expérimentales, et dans l’acquisition et le traitement des résultats expérimentaux.