母材表面粗糙度对加工影响分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：实际上，对于同心沟槽和放射形沟槽来说，在表面粗糙度相同的情况下，其润湿角θ′却可能不同。引起接触角滞后的原因涉及表面粗糙度的不均匀性、表面吸附等因素。表面粗糙度的影响有两个方面，一是障碍效应，二是沟槽效应。而对于铝合金来说，由于钎料与母材之间的相互作用十分强烈，母材的显微不平迅速溶解进入钎料，从而降低了表面粗糙度的影响，使得各部分的铺展面积基本相同。

液体润湿固体时，满足杨氏方程的条件是：液体在表面理想光滑的、各向同性的和没有变形的固体表面上的润湿。对于真实的表面，母材的表面由于加工方法不同，都不同程度地存在表面凸凹不平的现象，绝对光滑的表面是不可能的。一般来说，当母材表面比较粗糙时，表面的纵横交错的沟槽对液态钎料的铺展起到毛细管的作用，从而促进钎料的润湿。因此，母材的表面粗糙度会影响钎料的润湿性。

图3-1-12 液滴在真实表面上的润湿情况

将一液滴置于一粗糙表面，液滴在固体表面铺展后的微观润湿情况可用图3-1-12表示。θ为表观接触角，θ_i为本征接触角（固体表面分子距离的接触角），液体在固体表面上的本征接触角几乎是无法测量的，试验测得的只是其表观接触角。而表观接触角与界面张力的关系是不符合杨氏方程的，但应用热力学可以导出与杨氏方程类似的关系式。

根据界面亥姆霍兹自由能的定义：

在恒温、恒压的平衡状态下，由于界面的微小变化引起体系亥姆霍兹自由能的变化如下：

式中 A——本征界面面积（真实的界面面积），单位为mm²；

a——表观界面面积（即几何面积），单位为mm²。

式（3-1-42）两端除以da_SV得

由于固-气界面减少的面积等于固-液界面增加的面积，故da_SV=-da_SL，又由于液-气界面面积的变化率和固-液界面面积的增加率满足

，令

则式（3-1-44）即可转换成

γ（σ_SF-σ_SL）=σ_LFcosθ （3-1-45）

或

此即威舍尔（Wenzel）方程。将威舍尔方程与杨氏方程比较可得

式中 θ——在粗糙度为γ的表面上的接触角（表观接触角）；

θ_i——具有原子（分子）水平平整表面上的接触角（本征接触角）；

γ——粗糙因子，真实平面的表面积与理想平面的表面积之比，γ≥1。

由式（3-1-47）可以看出，当θ_i＜90°时，θ＜0，即粗糙的表面比光滑的表面较易为液体所润湿，因而在粗糙金属表面上的表观接触角更小。当θ_i＞90°时，θ＞0，即表面粗糙化后，金属表面上的表观接触角更大。

从威舍尔方程的导出可知，威舍尔方程仅考虑了真实表面与理想表面面积的差异，而没有考虑真实表面具体的特征。实际上，对于同心沟槽和放射形沟槽来说，在表面粗糙度相同的情况下，其润湿角θ′却可能不同。所以威舍尔方程应修正为

cosθ′=cosθ[γ（R-1）ψ] （3-1-48）

式中 ψ——表面结构因子；

R——液滴半径，单位为mm。

图3-1-13 倾斜表面液滴的接触角

在液体润湿固体的过程中，还有一个现象值得关注。即当润湿过程结束后，液滴的润湿角存在一个范围，润湿角并不是处处都相等。通常定义最大的接触角为前接触角（θ_a），最小的接触角为后接触角（θ_r）。液滴的接触角的不均匀性现象称为接触角滞后，这就好像液滴在倾斜的固体表面上润湿（图3-1-13）。通常，后接触角和前接触角可分别表示如下：

式中 θ_r——后接触角；

θ_a——前接触角；

Δθ——接触角滞后；

θ_m——平均接触角。

引起接触角滞后的原因涉及表面粗糙度的不均匀性、表面吸附等因素。表面越光洁，Δθ越小；表面粗糙度越大，Δθ越大。表面粗糙度的影响有两个方面，一是障碍效应，二是沟槽效应。

在实际钎焊过程中，不同钎料在不同状态的表面上的润湿情况也不同。如将铜和防锈铝合金分别采用抛光、钢丝刷刷、砂布打磨和化学清洗的方法来进行表面处理。在铜片中心放置Sn-40Pb钎料，在铝合金片中心放置Sn-20Zn钎料进行铺展试验。结果表明：在铜试片上，用钢丝刷刷过的试样铺展面积最大，抛光试样面积最小；但在铝合金试片上，铺展面积几乎相同。这是由于钢丝刷刷过的表面粗糙度最大，表观接触角减小，表现为铺展面积增大；而抛光表面的粗糙度最小，使其表观接触角增大，故铺展面积小。而对于铝合金来说，由于钎料与母材之间的相互作用十分强烈，母材的显微不平迅速溶解进入钎料，从而降低了表面粗糙度的影响，使得各部分的铺展面积基本相同。

母材表面粗糙度对加工影响分析

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