液態介質中淬火冷卻的四階段理論

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液態介質中淬火冷卻的四階段理論
! _! ?  Q4 r* e* Z0 f. [; R8 K5 o 經過分析，把此項研究觀測的內容歸結成兩個：一個是完整蒸汽膜保持穩定的條件；另一個是蒸汽膜階段的結束過程。對這兩個內容做了如下分析：
1、在完整蒸汽膜階段，是工件表面向外散失的熱量使周圍的液態介質變成了蒸汽，且形成的蒸汽足以使蒸汽膜保持完整。是蒸汽膜把液態介質和工件表面分隔開，如圖1a)。因此，粗略地說，能使蒸汽膜保持穩定的條件是：從工件側進入氣液界面的熱量Q1，多于、等于從氣液界面向液相側散失的熱量Q2,如圖1b)。進而可以得出這樣的關系：當Q1＝Q2時，蒸汽膜厚度保持不變。當Q1 > Q2時，蒸汽膜厚度會增大。當Q1 < Q2時，蒸汽膜厚度會減小。
a）蒸汽膜把球體和液態介質分隔開b）氣液界面的熱量收支Q1和Q2圖1 完整蒸汽膜的穩定性分析影響這種關系的重要因素有：工件表面溫度高低、介質的沸點高低和飽和蒸汽壓大小、氣液界面液態側的溫度梯度大小，以及氣液界面能（或者表面張力）高低等。其中，氣液界面能大小不太引人注意。但是，眾所周知，要費一點力氣才能把肥皂泡吹大。但停止吹氣后，如果不堵著吹氣口，肥皂泡就會把里面的空氣壓出來。這是肥皂泡膜的表面張力引起的附加壓力使泡內的氣壓高于外面氣壓的緣故。由于氣液界面的表面張力，蒸汽膜內的氣壓高于膜外的液壓。氣液界面張力越大，內部氣壓也就越高。只有更高的表面溫度，才能烤出更多的蒸汽來形成更厚的蒸汽膜。因此，在其它條件相同時，氣液界面張力越大，蒸汽膜就越薄；相反，氣液界面張力越小，蒸汽膜就越厚。
/ ^% G$ a9 c+ i; Z2 V, L- j! o9 o為了排除工件形狀因素的影響，本文選定均勻球體為研究對象。按照上面所述的道理，球體表面溫度越高，蒸汽膜會越厚。球體表面溫度降低，蒸汽膜厚度就會減小。人們會順理成章地認為，當厚度減小到零時，冷卻的蒸汽膜階段便結束了，如圖2所示。整個球體會同時進入沸騰冷卻階段。這時的球體表面溫度記為T*。我們認為，現行的、有關液態淬火介質中冷卻的三階段理論，就是在這種設想的基礎上建立起來的。2、大量的事例告訴我們，復雜系統的變化往往是分步完成的。我們認為，由于不可避免的擾動，在完整蒸汽膜階段，氣液界面上的擾動使蒸汽膜的厚度始終處在起伏變化之中。當蒸汽膜厚度降低到一定的值時，在某個厚度起伏很大的部位，氣液界面可能與工件表面接觸，如圖3所示。
0 P" q: o' B: T3 I圖2 球體表面溫度高低與球體蒸汽膜厚度的關系圖3 擾動引起蒸汽膜厚度波動，在波動很大的部位氣液界面與球體表面接觸那些雖然接觸了固態表面，卻在極短的時間內因接觸點處的液體被汽化而瞬間消失的接觸，我們把它稱為“瞬時接觸”。因為接觸面積小，時間又很短，瞬時接觸對球體的冷卻過程影響很小。如果接觸部位不被馬上汽化，則接觸部位的氣、固、液交界線上，接觸角就可能因三個表面張力（汽液δvl，汽固δvs，液固δls）的大小關系，而向兩類不同的平衡接觸角演變，如圖4所示。
4 D* L+ W+ l, v8 h" G1 B' T0 ja)液體不潤濕固體表面b)液體潤濕固體表面圖4 兩類不同的平衡接觸角圖4中，上排表示在波動引起的氣液接觸點處可能形成的兩類平衡接觸角。下排表示在相同條件下，把同樣的液體滴到相同的水平固體表面上所形成的兩類平衡液滴的形狀。其中，左圖表示液體對固體表面不潤濕，因此接觸角小于90°時的情況。右圖表示液體對固體表面有潤濕性，因此接觸角大于90°時的情況。在左上圖中，由于瞬時接觸點產生的接觸角度已經接近不潤濕條件下的平衡接觸角，接觸區就不可能向蒸汽膜區擴展。因為不能擴展，高溫的固體表面很快就會把接觸區的液體變成蒸汽。其結果，接觸點很快消失。完整蒸汽膜得以維持。而在右上圖所示的情況下，液體和固體表面的接觸區是否能繼續擴大，將決定于液體對固態表面的潤濕性大小。液態介質對固體表面的潤濕性越好（接觸角越大），接觸區的擴展速度就越快。在固體表面溫度不太高，比如不超過T0，且接觸區邊界的擴展速度足夠快，能保證接觸部的液體不馬上被汽化時，該接觸區就會持續向固體表面區擴展。本文把能夠成功擴展下去的上述接觸點稱為“超前擴展點”。說它“超前”，是因為當時固體表面溫度還遠高于T*。接觸區的擴展過程，也就是蒸汽膜籠罩區的縮小過程。固體表面上蒸汽膜區的邊界，是固、氣、液三相區的交界線。以下簡稱“三相交界線”，或者“交界線”。交界線的移動反應的是液、固接觸區的擴大過程。緩慢的交界線移動可以直接觀測到。較快的交界線移動，可以用攝像加以記錄。如果液體對固體表面有較好的潤濕性，三相交界線達到表面張力平衡時，交界線部位應當具有圖4之右上圖所示的平衡關系。但是，在擾動引起瞬時接觸點時，接觸點部位應當具有圖4之左上圖所示的情形。顯然，在該處三個表面張力沒有達到平衡。在向平衡關系的過渡過程中，交界線就會自動向蒸汽膜區推進，如圖5所示。3、關于爆炸聲響的產生原因（推測）：當擴展速度非常快時，蒸汽膜中的水蒸氣被推成偏向一側的大氣泡。該大氣泡因深入溫度較低的液層而被迅速冷凝。蒸汽冷凝的結果，在原來氣泡所在位置，形成了一個有一定真空度的偏心真空球。周圍的液體在填補該真空區時發生沖撞，就產生了爆炸聲響，如圖6所示。
) `, c) b" p6 a+ V/ v3 e圖5 在三相交界線上，因三個表面張力的關系趨于平衡而引起交界線的擴展圖6 爆炸聲響的產生過程（推測）據資料介紹，由高溫水蒸氣在較冷的水中冷凝而引起爆炸聲響，叫做“冷凝爆炸”[2]或者“水錘現象”[3]。按照上述思路，我們確定了幾個實驗觀測內容：一是找出至少一個可能使蒸汽膜厚度發生起伏的擾動因素。二是用事實證明出現超前擴展點是一種普遍現象。三是驗證關于爆炸聲響產生原因的推測；或者找到另外的成因。
1 g+ j! F7 o1 [6 Q 溫2、一般工件表面的冷卻過程也應劃分成四個階段從研究均勻球體表面的冷卻情況，建立了上述四階段理論。有人不禁會問：球體表面的冷卻情況與一般工件的冷卻情況是不同的。研究球體表面冷卻情況而建立起來的理論，是否能代表其它形狀工件表面的冷卻情況？是的，它們確實有所不同。但是，要描述工件上某一點的冷卻情況，不管這個點位于工件表面，還是工件內部某處，該點總有其相當的有效厚度值。如果它所在的部位呈圓柱形，它就是一定直徑圓柱體內或者表面上的一點。如果它所在的部位呈平板形，它就是一定厚度平板內上的一點。除了孤立的球體中心點之外，工件上所有其它的特定部位，都有與它們具有相同幾何位置關系的等效厚度部位。從一般道理上說，在均勻冷卻條件下，工件上所有具有等效厚度的部位都應當獲得相同的冷卻效果。如果用模擬計算的方法來研究實際工件的冷卻情況，恐怕都會以“具有相同等效厚度的部位總是獲得相同的冷卻效果”作為開展工作的原則。四階段理論定性地描述了球體表面的冷卻規律。推而廣之，在一般工件上，具有任何相同等效厚度的表面，也不可能具有完全相同的冷卻進程。因此，它的冷卻過程也能劃分成相似的四個階段，并具有上述四階段理論的特性。綜上所述，球體試樣表面的四階段理論，說明了實際工件上等效厚度表面冷卻過程的基本規律。而工件上等效厚度表面的冷卻情況，又決定了工件內部各種等效厚度部位的冷卻情況。因此，可以說，從球體表面冷卻情況建立的四階段理論，也是描述實際工件冷卻情況的基礎。