液態(tài)介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論

xiaguangyong

液態(tài)介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論
" z/ M0 F  ?& J9 L: K 經(jīng)過(guò)分析，把此項(xiàng)研究觀測(cè)的內(nèi)容歸結(jié)成兩個(gè)：一個(gè)是完整蒸汽膜保持穩(wěn)定的條件,；另一個(gè)是蒸汽膜階段的結(jié)束過(guò)程,。對(duì)這兩個(gè)內(nèi)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(tài)介質(zhì)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(tài)介質(zhì)和工件表面分隔開，如圖1a),。因此,，粗略地說(shuō)，能使蒸汽膜保持穩(wěn)定的條件是：從工件側(cè)進(jìn)入氣液界面的熱量Q1,，多于,、等于從氣液界面向液相側(cè)散失的熱量Q2,如圖1b)。進(jìn)而可以得出這樣的關(guān)系：當(dāng)Q1＝Q2時(shí),，蒸汽膜厚度保持不變,。當(dāng)Q1 > Q2時(shí)，蒸汽膜厚度會(huì)增大,。當(dāng)Q1 < Q2時(shí),，蒸汽膜厚度會(huì)減小。
( {. O( j" c+ s7 C2 ~/ ?a）蒸汽膜把球體和液態(tài)介質(zhì)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(wěn)定性分析影響這種關(guān)系的重要因素有：工件表面溫度高低,、介質(zhì)的沸點(diǎn)高低和飽和蒸汽壓大小,、氣液界面液態(tài)側(cè)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(fèi)一點(diǎn)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(huì)把里面的空氣壓出來(lái),。這是肥皂泡膜的表面張力引起的附加壓力使泡內(nèi)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(nèi)的氣壓高于膜外的液壓,。氣液界面張力越大，內(nèi)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(lái)形成更厚的蒸汽膜。因此,，在其它條件相同時(shí),，氣液界面張力越大，蒸汽膜就越�,�,；相反，氣液界面張力越小,，蒸汽膜就越厚,。
) z; f# s2 P8 H$ v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(duì)象,。按照上面所述的道理,，球體表面溫度越高，蒸汽膜會(huì)越厚,。球體表面溫度降低,，蒸汽膜厚度就會(huì)減小。人們會(huì)順理成章地認(rèn)為,，當(dāng)厚度減小到零時(shí),，冷卻的蒸汽膜階段便結(jié)束了，如圖2所示,。整個(gè)球體會(huì)同時(shí)進(jìn)入沸騰冷卻階段,。這時(shí)的球體表面溫度記為T*。我們認(rèn)為,，現(xiàn)行的,、有關(guān)液態(tài)淬火介質(zhì)中冷卻的三階段理論，就是在這種設(shè)想的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的,。2,、大量的事例告訴我們，復(fù)雜系統(tǒng)的變化往往是分步完成的,。我們認(rèn)為,，由于不可避免的擾動(dòng),，在完整蒸汽膜階段，氣液界面上的擾動(dòng)使蒸汽膜的厚度始終處在起伏變化之中,。當(dāng)蒸汽膜厚度降低到一定的值時(shí),，在某個(gè)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。
圖2 球體表面溫度高低與球體蒸汽膜厚度的關(guān)系圖3 擾動(dòng)引起蒸汽膜厚度波動(dòng),，在波動(dòng)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(tài)表面,，卻在極短的時(shí)間內(nèi)因接觸點(diǎn)處的液體被汽化而瞬間消失的接觸，我們把它稱為“瞬時(shí)接觸”,。因?yàn)榻佑|面積小,，時(shí)間又很短，瞬時(shí)接觸對(duì)球體的冷卻過(guò)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(gè)表面張力（汽液δvl，汽固δvs,，液固δls）的大小關(guān)系,，而向兩類不同的平衡接觸角演變，如圖4所示,。
) g- i8 F2 e  i+ Y: A5 f2 p; Ya)液體不潤(rùn)濕固體表面b)液體潤(rùn)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(dòng)引起的氣液接觸點(diǎn)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(duì)固體表面不潤(rùn)濕,，因此接觸角小于90°時(shí)的情況,。右圖表示液體對(duì)固體表面有潤(rùn)濕性，因此接觸角大于90°時(shí)的情況,。在左上圖中,，由于瞬時(shí)接觸點(diǎn)產(chǎn)生的接觸角度已經(jīng)接近不潤(rùn)濕條件下的平衡接觸角，接觸區(qū)就不可能向蒸汽膜區(qū)擴(kuò)展,。因?yàn)椴荒軘U(kuò)展,，高溫的固體表面很快就會(huì)把接觸區(qū)的液體變成蒸汽。其結(jié)果,，接觸點(diǎn)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(qū)是否能繼續(xù)擴(kuò)大,，將決定于液體對(duì)固態(tài)表面的潤(rùn)濕性大小,。液態(tài)介質(zhì)對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性越好（接觸角越大），接觸區(qū)的擴(kuò)展速度就越快,。在固體表面溫度不太高,，比如不超過(guò)T0，且接觸區(qū)邊界的擴(kuò)展速度足夠快,，能保證接觸部的液體不馬上被汽化時(shí),，該接觸區(qū)就會(huì)持續(xù)向固體表面區(qū)擴(kuò)展。本文把能夠成功擴(kuò)展下去的上述接觸點(diǎn)稱為“超前擴(kuò)展點(diǎn)”,。說(shuō)它“超前”,，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)固體表面溫度還遠(yuǎn)高于T*。接觸區(qū)的擴(kuò)展過(guò)程,，也就是蒸汽膜籠罩區(qū)的縮小過(guò)程,。固體表面上蒸汽膜區(qū)的邊界，是固,、氣,、液三相區(qū)的交界線。以下簡(jiǎn)稱“三相交界線”,，或者“交界線”,。交界線的移動(dòng)反應(yīng)的是液、固接觸區(qū)的擴(kuò)大過(guò)程,。緩慢的交界線移動(dòng)可以直接觀測(cè)到,。較快的交界線移動(dòng)，可以用攝像加以記錄,。如果液體對(duì)固體表面有較好的潤(rùn)濕性,，三相交界線達(dá)到表面張力平衡時(shí)，交界線部位應(yīng)當(dāng)具有圖4之右上圖所示的平衡關(guān)系,。但是,，在擾動(dòng)引起瞬時(shí)接觸點(diǎn)時(shí)，接觸點(diǎn)部位應(yīng)當(dāng)具有圖4之左上圖所示的情形,。顯然,，在該處三個(gè)表面張力沒有達(dá)到平衡。在向平衡關(guān)系的過(guò)渡過(guò)程中,，交界線就會(huì)自動(dòng)向蒸汽膜區(qū)推進(jìn),，如圖5所示。3、關(guān)于爆炸聲響的產(chǎn)生原因（推測(cè)）：當(dāng)擴(kuò)展速度非�,？鞎r(shí),，蒸汽膜中的水蒸氣被推成偏向一側(cè)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(jié)果,，在原來(lái)氣泡所在位置，形成了一個(gè)有一定真空度的偏心真空球,。周圍的液體在填補(bǔ)該真空區(qū)時(shí)發(fā)生沖撞,，就產(chǎn)生了爆炸聲響，如圖6所示,。
圖5 在三相交界線上,，因三個(gè)表面張力的關(guān)系趨于平衡而引起交界線的擴(kuò)展圖6 爆炸聲響的產(chǎn)生過(guò)程（推測(cè)）據(jù)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(xiàn)象”[3]。按照上述思路,，我們確定了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)內(nèi)容：一是找出至少一個(gè)可能使蒸汽膜厚度發(fā)生起伏的擾動(dòng)因素,。二是用事實(shí)證明出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)是一種普遍現(xiàn)象。三是驗(yàn)證關(guān)于爆炸聲響產(chǎn)生原因的推測(cè),；或者找到另外的成因,。
! d/ K* |4 E2 g4 P+ R9 u; ?) S2 ` 溫2、一般工件表面的冷卻過(guò)程也應(yīng)劃分成四個(gè)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(huì)問(wèn)：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(lái)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(shí)有所不同,。但是,，要描述工件上某一點(diǎn)的冷卻情況，不管這個(gè)點(diǎn)位于工件表面,，還是工件內(nèi)部某處,，該點(diǎn)總有其相當(dāng)?shù)挠行Ш穸戎�,。如果它所在的部位呈圓柱形,，它就是一定直徑圓柱體內(nèi)或者表面上的一點(diǎn)。如果它所在的部位呈平板形,，它就是一定厚度平板內(nèi)上的一點(diǎn),。除了孤立的球體中心點(diǎn)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(guān)系的等效厚度部位。從一般道理上說(shuō),，在均勻冷卻條件下,，工件上所有具有等效厚度的部位都應(yīng)當(dāng)獲得相同的冷卻效果。如果用模擬計(jì)算的方法來(lái)研究實(shí)際工件的冷卻情況,，恐怕都會(huì)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(guī)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(jìn)程,。因此,，它的冷卻過(guò)程也能劃分成相似的四個(gè)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(shuō)明了實(shí)際工件上等效厚度表面冷卻過(guò)程的基本規(guī)律,。而工件上等效厚度表面的冷卻情況,，又決定了工件內(nèi)部各種等效厚度部位的冷卻情況。因此,，可以說(shuō),，從球體表面冷卻情況建立的四階段理論，也是描述實(shí)際工件冷卻情況的基礎(chǔ),。