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Viscosité des principaux métaux et métalloïdesArticle de référence | Réf : M67 v3
Auteur(s) : Nicolas EUSTATHOPOULOS, Béatrice DREVET
Date de publication : 10 sept. 2017
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Propriétés atomiques des principaux métaux et métalloïdesCet article fait partie de l’offre
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Cet article définit la tension de surface ? d’un liquide et précise son origine physique à l’aide d’un modèle atomistique. L’influence de la tension de surface des métaux liquides sur différents phénomènes capillaires (mouillage, infiltration, convection Marangoni) est mise en évidence. Les principales méthodes de mesure de ? des métaux sont brièvement décrites et comparées. Les valeurs sélectionnées de ? et du coefficient de température d?/dT sont présentées pour un grand nombre de métaux purs. L’influence de l’oxygène et des éléments d’alliage sur ? et d?/dT est discutée et illustrée.
In this review, the surface tension of a liquid is defined, and its physical origin is explained using an atomistic model. The influence of the surface tension of liquid metals on various capillary phenomena (wetting, infiltration, Marangoni convection) is highlighted. The main methods of measurement of ? for metals are briefly described and compared. Selected values of ? and of the temperature coefficient d?/dT are given for a large number of pure metals. The influence of oxygen and of alloying elements on ? and d?/dT is discussed and illustrated.
Nicolas EUSTATHOPOULOS : Directeur de Recherche - Université Grenoble Alpes-CNRS, SIMaP, Grenoble, France
Béatrice DREVET : Ingénieur de Recherche - Université Grenoble Alpes, INES, Le Bourget-du-Lac, France - CEA, LITEN, Département des Technologies Solaires, Le Bourget-du-Lac, France
Une propriété fondamentale des liquides est leur tendance à se contracter de façon à présenter la surface la plus faible possible. Cette propriété est prise en compte par la grandeur tension de surface, ou par la grandeur équivalente énergie de surface. L’énergie de surface est un paramètre important intervenant dans de nombreux procédés d’élaboration et de mise en forme des matériaux métalliques. Ainsi, l’énergie de surface d’un liquide influence son aptitude 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. De même, ces phénomènes sont essentiels dans l’assemblage de pièces solides par des alliages de brasure et affectent directement les interactions entre le métal fondu et les matériaux de creuset ou de moule. 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 intervient dans certains procédés de cristallogenèse et devient prédominant dans le cas de films minces par exemple lors du soudage. Par ailleurs, il existe tout un ensemble de procédés dans lesquels on crée une dispersion d’un métal ou d’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 l’énergie de surface est, à ce titre, un facteur clef dans la formation et la distribution de taille des gouttes.
Ce travail est une revue des résultats expérimentaux de la littérature relatifs à la tension de surface et au coefficient de température des métaux purs. Depuis une trentaine d’années, notre connaissance des propriétés énergétiques des surfaces métalliques liquides a progressé de façon significative grâce surtout au développement de méthodes de mesure sans contact. Ces méthodes, qui permettent de supprimer la pollution provenant des creusets ou des substrats utilisés dans les méthodes conventionnelles, ont été appliquées avec succès, notamment aux métaux réfractaires.
Cet article décrit tout d’abord le rôle de l’énergie de surface et de la capillarité dans les différents processus cités précédemment (mouillage, infiltration, convection Marangoni). Par la suite, après avoir défini les grandeurs énergie de surface et tension de surface et leur équivalence, un modèle thermodynamique est présenté permettant l’évaluation de l’énergie de surface et de sa variation avec la température pour les métaux purs. L’effet de l’oxygène présent dans pratiquement toutes les installations d’élaboration et de traitement des métaux liquides est ensuite détaillé, cette impureté étant réputée pour avoir une forte influence sur l’énergie de surface des métaux. Dans la majorité des applications, les phases métalliques sont constituées de plusieurs constituants, d’où l’intérêt de présenter un modèle permettant d'évaluer l’énergie superficielle des alliages. Les principales méthodes de mesure de la tension superficielle des métaux et alliages sont ensuite décrites, avant de présenter, sous forme de tableau, les valeurs expérimentales de la tension de surface et de son coefficient de température, en insistant sur la précision des valeurs retenues.
wetting | surface tension | capillarity | Marangoni
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ÉTUDE ET PROPRIÉTÉS DES MÉTAUX
(1) - JOHNSON (R.E.), DETTRE (R.H.) - Wetting of low-energy surfaces, - dans : Wettability, Ed. J.C. Berg, New York, Marcel Dekker Inc., p. 1-73 (1993).
(2) - EUSTATHOPOULOS (N.), NICHOLAS (M.G.), DREVET (B.) - Wettability at high temperatures, - Pergamon Materials Series, volume 3, Elsevier Science Ltd, Oxford, UK (1999).
(3) - EUSTATHOPOULOS (N.) - * - . – Metals 5 p. 350 (2015).
(4) - EUSTATHOPOULOS (N.), HODAJ (F.), KOZLOVA (O.) - The wetting process in brazing, - dans : Advances in brazing, science, technology and applications, Ed. D.P. Sekulic, Woodhead Publishing, Cambridge, UK, pp. 3-30 (2013).
(5) - MICHAUD (V.J.), COMPTON (L.M.), MORTENSEN (A.) - * - . – Metall. Mater. Trans. A 25A p. 2145 (1994).
(6) - ALONSO (A.), PAMIES (A.), NARCISO (J.), GARCIA-CORDOVILLA...
International Conference on High Temperature Capillarity
Laboratoire CEMHTI, Orléans (France)
http://www.cemhti.cnrs-orleans.fr/Instruments/Levitation.aspx
Laboratoire Simap, Grenoble (France)
http://simap.grenoble-inp.fr/epm/elaboration-par-procedes-magnetiques-445232.kjsp?RH=SIMAP_GROUPES
Institute of Condensed Matter Chemistry and Energy Technologies, Gênes (Italie)
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INTRODUCTION
1 - RÔLE DE L’ÉNERGIE DE SURFACE EN SCIENCE DES MATÉRIAUX
2 - TENSION ET ÉNERGIE DE SURFACE – ÉQUIVALENCE
3 - ÉNERGIE DE SURFACE DES MÉTAUX LIQUIDES – MODÈLE THERMODYNAMIQUE
5 - ÉNERGIE DE SURFACE DES ALLIAGES LIQUIDES – MODÈLES THERMODYNAMIQUES
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