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Article

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

4 - EFFET DE L’OXYGÈNE

5 - ÉNERGIE DE SURFACE DES ALLIAGES LIQUIDES – MODÈLES THERMODYNAMIQUES

6 - MÉTHODES DE MESURE

7 - DONNÉES

8 - CONCLUSION

9 - SIGLES, NOTATIONS ET SYMBOLES

Article de référence | Réf : M67 v3

Tension et énergie de surface – Équivalence
Tension superficielle des métaux liquides et capillarité

Auteur(s) : Nicolas EUSTATHOPOULOS, Béatrice DREVET

Date de publication : 10 sept. 2017

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NOTE DE L'ÉDITEUR

22/09/2017

Cet article est la version actualisée de l’article M67 intitulé « Tension superficielle », rédigé par Nicolas EUSTATHOPOULOS, Enrica RICCI et Béatrice DREVET, et paru en 1999.

RÉSUMÉ

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.

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ABSTRACT

Surface tension of liquid metals and capillarity

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.

Auteur(s)

  • 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

INTRODUCTION

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.

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KEYWORDS

wetting   |   surface tension   |   capillarity   |   Marangoni

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v3-m67


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2. Tension et énergie de surface – Équivalence

Pour les surfaces solides, le lecteur peut consulter l’article [M 1 425] qui décrit les surfaces à l’aide de trois approches : cristallographique, physique et thermodynamique. L’article traite également les surfaces industrielles et leur caractérisation pratique. Quant aux surfaces liquides, sujet du présent article, nous commençons par la définition de la tension de surface et nous montrons son équivalence avec l’énergie de surface.

Considérons une lame mince d’eau savonneuse (de largeur ) fixée sur un cadre constitué par des fils rigides, l’un des côtés du cadre étant mobile (figure 5). L’expérience met en évidence une force de tension agissant parallèlement à la surface et résistant à son allongement. Le travail dW à fournir pour déplacer d’une distance dx, à température constante, le côté mobile soumis à une force f sera :

( 8 )

avec :

γ
 : 
tension superficielle exprimée en N.m−1 (ou mN.m−1).

Ci-dessus : Lame mince d’eau savonneuse de longueur x et de largeur

Cette expérience peut également être décrite à l’aide de l’énergie de surface σ égale au travail nécessaire pour...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (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...

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