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    液態淬火介質中冷卻的四階段理論

    在水性介質中淬火,有時會聽到爆炸聲響。為了尋找產生這種聲響的原因,本文從理論分析和試驗觀測兩方面研究了:1.完整蒸汽膜保持穩定的條件,2.蒸汽膜階段的結束過程。

      初期的分析認為:

      1.在完整蒸汽膜階段,蒸汽膜把液態介質和工件表面分隔開。在多種影響因素中,汽-液界面能的高低對蒸汽膜的厚度和蒸汽膜階段的長短有重要的影響。工件表面溫度降低,蒸汽膜的厚度是逐漸減薄的。

      2.即便是均勻的球體,完整蒸汽膜的破裂,也不應當是在蒸汽膜厚度均勻減薄近零時才同時發生。由于不可避免的擾動,在完整蒸汽膜階段,蒸汽膜的厚度始終處在起伏變化之中。當氣膜厚度降低到一定的程度時,在某個起伏較大的部位,液態介質可能與工件表面接觸。如果接觸部位不被馬上汽化,且液態介質對該表面又有較好的潤濕性,則該接觸區就會向固體表面擴展。本文把能夠成功擴展的上述接觸點稱為超前接觸點。擴展速度決定于相關的三個表面能(汽-液,汽-固,液-固)的大小關系。對球形工件,我們推測:當擴展速度非??鞎r,表面蒸汽膜中的氣相介質可能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。這就在原來氣泡所在位置形成了一個有一定真空度的真空球。周圍的液體在填補該真空球時發生沖撞而產生爆炸聲響。

      開始時,試驗觀測的目的只有兩個:1.找出一個能使蒸汽膜厚度發生起伏的擾動事實,用以證明產生超前接觸點的可能性。2.攝像觀測上述推測中說的真空球的形成和爆炸過程。

      主要以不同大小的均勻球體為試樣。采用清水、基礎油、快速油、PAG淬火液以及勻速冷卻液為試驗介質。

      試驗發現和認識:

      1.觀測到一種擾動現象,并對其進行了分析研究。

      2.除部分聽到爆炸聲響的試樣外,其它的試驗中都觀測到上述超前接觸點現象。超前接觸點的出現位置有很大的隨機偶然性。在均勻的球體上,出現一個超前接觸點后,很難再出現第二個。蒸汽膜階段的結束從超前接觸點開始,逐漸擴展到整個球體表面。超前接觸點出現的位置不同,隨后的擴展途徑也不同。

      3.當接觸區的擴展速度比較慢時,蒸汽膜籠罩區與已經進入沸騰冷卻階段的區域共同存在的時間比較長。而后,球體表面只存在單一的沸騰冷卻方式的冷卻時間相對較短。

      4.在發生爆炸的試樣上,可以觀測到相似于爆炸的現象和聽到爆炸聲響。在發生爆炸之后的一段時間內,球體表面上既存在通常意義上的沸騰冷卻區,也同時存在比較穩定的柱狀蒸汽泡的冷卻區。本文認為,這是沸騰冷卻和蒸汽膜冷卻方式共存的冷卻時期。

      5.在所做的試樣中,沒有觀測記錄到前述真空球的產生過程。因為只在極快速擴展的試樣上聽到爆炸聲響,本文這樣解釋其產生原因:由于擴展在極的時間內完成,在水-固交界線上,水接觸高溫固態表面時發出的一連串的氣泡爆裂聲被人耳聽成了一次爆炸聲響。

      當前,在液態淬火介質中做淬火冷卻,通用的是“蒸汽膜階段、沸騰階段和對流階段”的三階段理論。在本試驗中出現的很多現象是三階段理論不能解釋的。

      分析上述現象,并結合多年來研究和應用液態淬火介質的經驗,本文提出了工件在液態淬火介質中冷卻的四階段理論。四階段為:蒸汽膜階段、中間階段、沸騰階段和對流階段。中間階段是蒸汽膜冷卻區和沸騰冷卻區共存的冷卻階段。中間階段從出現超前接觸點開始,到工件上同一有效厚度部位全部進入沸騰冷卻階段為止。本文預測,由于超前接觸點的出現位置有很大的隨機偶然性,會使工件在中間階段的冷卻結果具有相當大隨機波動范圍。液體淬火介質的特性溫度問題,就產生于這個中間階段的特性。

      研究和應用上述四階段理論可以:1.更好地解釋冷卻特性曲線上出現的多種差異和變化。2.指導熱處理工作者更好地選擇和應用液態淬火介質。3.為計算機模擬工件冷卻過程提供提高計算準確度的改進方向。


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