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標(biāo)題: 液態(tài)介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論 [打印本頁(yè)]

作者: xiaguangyong 時(shí)間: 2007-12-1 22:56
標(biāo)題: 液態(tài)介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論
液態(tài)介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論
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?chē)囊簯B(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(kāi)，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。
a）蒸汽膜把球體和液態(tài)介質(zhì)分隔開(kāi)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。
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(mén)*。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(chēng)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(xiàn)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(lèi)不同的平衡接觸角演變，如圖4所示。
a)液體不潤(rùn)濕固體表面b)液體潤(rùn)濕固體表面圖4 兩類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(chēng)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(xiàn)。以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三相交界線(xiàn)”，或者“交界線(xiàn)”。交界線(xiàn)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(xiàn)移動(dòng)可以直接觀測(cè)到。較快的交界線(xiàn)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(xiàn)達(dá)到表面張力平衡時(shí)，交界線(xiàn)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(méi)有達(dá)到平衡。在向平衡關(guān)系的過(guò)渡過(guò)程中，交界線(xiàn)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?chē)囊后w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(xiàn)上，因三個(gè)表面張力的關(guān)系趨于平衡而引起交界線(xiàn)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。
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(kāi)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)。

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