液態(tài)介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論

1、工件在水性介質(zhì)中淬火，有時(shí)會(huì)聽到爆炸聲響。本項(xiàng)研究工作是從探討這種聲響的產(chǎn)生原因開始的。通過試驗(yàn)和研究，對(duì)爆炸聲響的產(chǎn)生提出了一種解釋。試驗(yàn)中發(fā) 現(xiàn)了幾種用當(dāng)前通行的液體介質(zhì)中冷卻的三階段（蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流階段）理論1無法解釋的現(xiàn)象。為解釋這些現(xiàn)象，本文提出了液體淬火介質(zhì)中淬 火冷卻的四階段理論。 一 對(duì)爆炸聲響產(chǎn)生原因的初期分析 經(jīng)過分析，把此項(xiàng)研究觀測的內(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

2、質(zhì)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(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)Q1Q2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 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

3、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。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

4、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)上建立起來的。 圖2 球體表面溫度高低與球體蒸汽膜厚度的關(guān)系 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

5、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vl，汽固vs，液固ls）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。 a)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(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)固體表面不潤濕，因此 接觸角小于90

6、°時(shí)的情況。右圖表示液體對(duì)固體表面有潤濕性，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)表面的潤濕性大小。液態(tài)介質(zhì)對(duì)固體表面的潤濕性越好（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

7、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 程，也就是蒸汽膜籠罩區(qū)的縮小過程。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)大過程。緩慢的交界線移動(dòng)可以直接觀測到。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

8、。在向平衡關(guān)系的過渡過程中，交界線就會(huì)自動(dòng)向蒸汽膜區(qū)推進(jìn)，如圖 5所示。 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3、關(guān)于 爆炸聲響的產(chǎn)生原因（推測）：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6 爆炸聲響的產(chǎn)生過程（推測）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)觀測內(nèi)容：一是找

9、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；或者找到另外的成因。 二 實(shí)驗(yàn)方法和試驗(yàn)內(nèi)容 為減少表面氧化的影響和避免冷卻過程中的相變，選用了在加熱和冷卻過程中無相變的耐熱不銹鋼來加工成試樣。為了避開形狀因素的影響，采用的主要是 直徑30mm和60mm的球體試樣。為保證球體的吊掛部位不成為超前擴(kuò)展點(diǎn)，球體上的吊掛部位稍凹下去了一點(diǎn)，并采用很細(xì)的電爐絲來吊掛球體，如圖7所 示。 圖7 球體試樣及其吊掛方式為便于觀測和攝像，主要選用無色透明冷卻介質(zhì)品種。如清水，鹽水、優(yōu)質(zhì)礦物油基礎(chǔ)油、快速淬火油、汽液勻速冷卻液，以及P

10、AG淬火液。 用普通攝像機(jī)攝像。攝像速率為每秒25幀。曝光時(shí)間選在1/5001/2000秒之間，多數(shù)情況下用1/1000秒。 試樣的加熱溫度一般為900。試樣先在實(shí)驗(yàn)箱式爐中加熱透燒，再轉(zhuǎn)移到盛有冷卻介質(zhì)的大燒杯中冷卻。用攝像機(jī)對(duì)試樣的冷卻過程做了觀測記錄。 三 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 1、擾動(dòng)和超前擴(kuò)展點(diǎn) 在實(shí)際工件的冷卻過程中，可能引起蒸汽膜厚度波動(dòng)的因素（即擾動(dòng)因素）很多。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不做附加攪動(dòng)的條件下，從球體完整蒸汽膜的上方排出水蒸 汽泡所引起的擾動(dòng)最大。排出這種氣泡的過程有周期性。球體表面溫度高，單位時(shí)間內(nèi)排出的氣泡的個(gè)數(shù)就多，排出氣泡的周期就短；球體表面溫度降低，排出氣泡 的周期就加長。

11、圖8是對(duì)這一周期過程能引起蒸汽膜厚度波動(dòng)的簡單推測。圖中，1表示剛剛恢復(fù)成球形的蒸汽膜。2表示球形蒸汽膜的上方開始鼓泡和鼓出的泡漲 大。鼓起的泡長大并向上升時(shí)，自然會(huì)把球體氣泡向上拉長。3表示鼓出的氣泡向上長大并拉長到一定程度時(shí)，發(fā)生拉斷。一旦發(fā)生了拉斷，球體上方凸出的蒸汽膜 就會(huì)向下回彈?；貜棇?duì)蒸汽膜產(chǎn)生壓迫作用。4表示蒸汽膜因上述回彈而被壓扁。壓縮到其最大限度后，就會(huì)再向球形蒸汽膜位置反彈回來，直至再成為球形蒸汽 膜，如1。球體蒸汽膜所做的，基本上是一種阻尼受迫振動(dòng)。 圖8 球形蒸汽膜從上方形成并分離的過程引起蒸汽膜厚度變化當(dāng)然，除了圖8所示的 擾動(dòng)因素外，還有其它的因素可能引起蒸汽膜厚度

12、的波動(dòng)。試樣上發(fā)生的擾動(dòng)，是所有引起擾動(dòng)的因素共同作用的結(jié)果。擾動(dòng)引起的蒸汽膜厚度波動(dòng)，使球體不同部 位的蒸汽膜的厚度不等。在蒸汽膜厚度最薄的部位，當(dāng)其它條件滿足時(shí)，就可能出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即便是均勻的球體，其表面出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的位置也有 很強(qiáng)的隨機(jī)偶然性。圖9標(biāo)出了基礎(chǔ)油中試驗(yàn)時(shí)，17個(gè)出現(xiàn)在正面的超前擴(kuò)展點(diǎn)的位置分布。 圖9 基礎(chǔ)油中17個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)的出現(xiàn)位置我們認(rèn)為，超前擴(kuò)展點(diǎn)的出現(xiàn)位置除與擾 動(dòng)引起的蒸汽膜厚度波動(dòng)有關(guān)外，還可能與液體介質(zhì)內(nèi)部溫度的不均勻性有關(guān)。把這種液體內(nèi)部溫度的不均勻性簡稱為液體內(nèi)部的“熱起伏”。有關(guān)的研究指出，擾 動(dòng)波引起的蒸汽膜厚度波動(dòng)通常都有強(qiáng)烈隨機(jī)特

13、性（3）。應(yīng)當(dāng)說，只有蒸汽膜厚度波動(dòng)引起的瞬時(shí)接觸，還不足以形成超前擴(kuò)展點(diǎn)。只有加上液體內(nèi)部的熱起伏正 好使該接觸部位的液溫偏低，才能產(chǎn)生超前擴(kuò)展點(diǎn)。這就是球體上出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的位置有很強(qiáng)的隨機(jī)性的原因。 2、分界線的擴(kuò)展速度 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，勻速冷卻液中，蒸汽膜階段結(jié)束時(shí)，上一張圖片還看到完整的蒸汽膜，0.04秒后的下一張圖片上就已經(jīng)完成了“爆炸”過程，且總是發(fā)出爆 炸聲響。我們既沒能觀測到其中的超前擴(kuò)展點(diǎn)，也沒能觀測到隨后的分界線擴(kuò)展過程。有幸的是，在PAG淬火液的試驗(yàn)中，我們既看到超前擴(kuò)展點(diǎn)和分界線的擴(kuò)展 過程，也聽到爆炸聲響。相比之下，基礎(chǔ)油的擴(kuò)展速度相當(dāng)慢。圖10是直徑60mm球體試樣在基

14、礎(chǔ)油中冷卻時(shí)的完整蒸汽膜、超前擴(kuò)展點(diǎn)和擴(kuò)展中的交界線的圖 像。 a) 完整蒸汽膜時(shí)的圖片 b) 1秒后超前擴(kuò)展點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)且開始擴(kuò)展 c) 14秒后交界線已經(jīng)掃過了大半個(gè)球面 圖10 基礎(chǔ)油中試驗(yàn)時(shí)的完整蒸汽膜、超前擴(kuò)展點(diǎn)和交界線的擴(kuò)展過程 淬火油的冷卻速度越快，其擴(kuò)展速度也越快?？焖俅慊鹩偷臄U(kuò)展速度就比基礎(chǔ)油快。PAG淬火液的擴(kuò)展速度比油性介質(zhì)快。勻速冷卻液的擴(kuò)展速度則更快。幾類冷卻介質(zhì)中交界線的擴(kuò)展速度大小排序如下： 基礎(chǔ)油 < 快速油 <清水< PAG淬火液 < 鹽水 < 勻速冷卻液 擴(kuò)展過程中，氣液界面和氣固界面在減少，而液固界面在增加。假定：在很短的擴(kuò)展時(shí)

15、間內(nèi)，蒸汽膜縮短了dl1，而液固界面則增加了dl2?？梢园言摂U(kuò)展過程簡單地看成是蒸汽膜邊緣的平移過程，如圖11所示。 圖11 可以把交界線的移動(dòng)過程看成其端部邊界的平移過程由于蒸汽膜的厚度很小，在這種平移過程中，dl1 dl2。此時(shí)，每增加單位面積的液固界面，就正好減少了一個(gè)單位面積的氣液界面和一個(gè)單位面積的氣固界面。設(shè)這一過程的自由能變化為G，則G與液固、液氣、以及氣固界面能的關(guān)系，可以表示成式（3）： Glslvsv （1） G<0時(shí)，擴(kuò)展才可能進(jìn)行。從式（1）中可知：液固界面能越小，而液氣界面能和固氣界面能越大，則上述擴(kuò)展過程的驅(qū)動(dòng)力就越大，分界線的擴(kuò)展速度也就越快。 從觀測結(jié)果推

16、算了幾種介質(zhì)中分界線的平均擴(kuò)展速度：基礎(chǔ)油時(shí)最低，約在每秒0.006米；快速油的速度稍快，約為每秒0.015米。圖12畫出了 基礎(chǔ)油中直徑60球體上交界線的擴(kuò)展進(jìn)程，圖中的數(shù)字“”所指的是觀測記錄的第條交界線，并以它作為計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)。其余的數(shù)字、 等所指的曲線，是過了約1、3、5、秒時(shí)，交界線的位置。圖13是30mm直徑的球體在基礎(chǔ)油中試驗(yàn)時(shí)交界線的擴(kuò)展過程記錄。 圖12 在基礎(chǔ)油中，直徑60mm球體上分界線的擴(kuò)展過程，數(shù)字是不同的繪圖時(shí)間（秒）圖13 在基礎(chǔ)油中，30mm直徑球體上交界線的擴(kuò)展進(jìn)程（超前擴(kuò)展點(diǎn)出現(xiàn)在背面），數(shù)字是不同的繪圖時(shí)間（秒）PAG淬火液中的平均擴(kuò)展速度約為每秒0.6

17、米。勻速冷卻液中，超前擴(kuò)展點(diǎn)產(chǎn)生、交界線的擴(kuò)展全過程都在0.04秒內(nèi)完成。由此可以推算出，其交界線擴(kuò)展速度高于每秒1.2米。 3、爆炸聲響的成因 試驗(yàn)中沒有獲得圖6所推測的“水錘現(xiàn)象”引起爆炸聲響的任何攝像記錄。但是，根據(jù)發(fā)生爆炸聲響的情況，本文提出了產(chǎn)生爆炸聲響的另一種機(jī)制。 研究發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)油和快速油等交界線擴(kuò)展速度很慢的介質(zhì)中聽不到爆炸聲響。只有在擴(kuò)展速度特別快的冷卻介質(zhì)中，才可能聽到爆炸聲響。 圖14是10PAG淬火液中拍攝到的擴(kuò)展過程圖片。第1張是出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)之后不久的圖像。第2、3、4張可以看到擴(kuò)展過程。第5張擴(kuò)展剛剛完成。相鄰 圖片之間的時(shí)間間隔都是0.04秒。從第1張到第5張

18、圖片之間總時(shí)間間隔是4x0.040.16秒。在擴(kuò)展中的交界線前沿，可以看到水接觸高溫固體表面 時(shí)迅速形成蒸汽泡并發(fā)生爆炸的帶狀區(qū)域。這一帶狀區(qū)域隨分界線的擴(kuò)展連續(xù)向前推進(jìn)。就這樣一個(gè)經(jīng)歷0.16秒的交界線擴(kuò)展過程，讓我們聽到了一次爆炸聲 響。 圖14 PAG淬火液的“爆炸”過程歸納以上情況，我們對(duì)爆炸聲響的產(chǎn)生原因作如 下的解釋。第一，水的沸點(diǎn)低而容易汽化。水的飽和蒸汽壓很高，在室溫下大約為礦物油的105倍，因此能使氣泡快速形成和破裂。少量的水注入干熱的炒菜鍋 中，會(huì)發(fā)出輕微的近于爆炸的聲響。水的這些特性是水性介質(zhì)才可能發(fā)生爆炸聲響的原因。第二，聲音的延續(xù)時(shí)間稱為“時(shí)長”。一般說，時(shí)長超過0.

19、3秒后，人 耳就能聽到穩(wěn)定的聲響。當(dāng)時(shí)長短于0.3秒后，人感覺到的聲音強(qiáng)度會(huì)隨聲音的時(shí)長縮短而迅速降低。時(shí)長縮短到一定程度，人就聽不到聲音了4。同時(shí)，人 的聽覺功能對(duì)聲音的反應(yīng)時(shí)間為0.120.18秒5。根據(jù)聽覺的這些特點(diǎn)，我們粗略地設(shè)定了一個(gè)時(shí)間長度0.15秒。當(dāng)交界線快速擴(kuò)展時(shí)，在液固交 界線前沿，0.15秒內(nèi)水接觸高溫固態(tài)表面時(shí)發(fā)出的一連串的、微弱的氣泡爆裂聲，會(huì)被人耳聽成一次強(qiáng)烈的聲響，也就是爆炸聲響。 第三，工件表面溫度越高，氣泡的形成越快，氣泡爆炸越劇烈，爆炸聲響也會(huì)越大。第四，聲音的強(qiáng)度可以直接相加，I總I1I2I36。因此，移動(dòng) 中的交界線越長，同時(shí)發(fā)出氣泡爆裂聲的氣泡數(shù)就越多

20、，能聽到的爆炸聲響也就越大。第五，交界線的移動(dòng)速度（V）越快，在人的聽覺反應(yīng)時(shí)間內(nèi)交界線掃過的面 積就越大，前后參與爆炸的氣泡就越多，能聽到的爆炸聲響也就越大。因此，爆炸聲響的大小I總，與移動(dòng)中的交界線的總長度（L）成正比；也與約0.15秒內(nèi) 交界線移動(dòng)的距離（0.15V）成正比。于是，可以建立如下關(guān)系式： I總 0.15 LV （2）。 總之，由交界線快速移動(dòng)引起的爆炸聲響有以下特點(diǎn)：在水性介質(zhì)中交界線以足夠快的速度擴(kuò)展時(shí)才產(chǎn)生；移動(dòng)中的交界線總長度越大、固體表面溫度越高、交界線擴(kuò)展速度越快，爆炸聲響就越大。 4、蒸汽膜消失過程的幾個(gè)表面溫度值 在上述討論中，蒸汽膜階段結(jié)束過程涉及到四個(gè)球體

21、表面溫度值，它們是： T0 能出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的最高溫度。 T1 實(shí)際出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的最高溫度，也是進(jìn)入沸騰冷卻階段的溫度。 T2 最后一部分蒸汽膜消失處的溫度，也是進(jìn)入沸騰冷卻階段的最低溫度。 T* 按外推法確定的蒸汽膜厚度最后變成零時(shí)的球體表面溫度。 把它們和蒸汽膜厚度的變化結(jié)合在一起，可以作成圖15。本文把該圖稱為有關(guān)蒸汽膜厚度的“四點(diǎn)圖”。 圖15 有關(guān)蒸汽膜階段結(jié)束過程的四點(diǎn)圖四 三階段理論不能解釋的幾個(gè)現(xiàn)象 試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)了4種現(xiàn)行三階段理論不能解釋的“怪”現(xiàn)象。 1、有效厚度相同但冷卻進(jìn)程卻大不一樣 由三階段理論很容易得出這樣的結(jié)論：在均勻冷卻條件下，工件表面某部分獲得的冷卻速度快

22、慢，決定于該部分的有效厚度大小。然而，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ) 油和快速淬火油中冷卻的球體試樣，從出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)開始，球體表面不同部位冷卻速度的差距就迅速拉開了。超前擴(kuò)展點(diǎn)是最早發(fā)生沸騰冷卻的部位。而后，隨著 交界線向蒸汽膜籠罩區(qū)擴(kuò)展，已經(jīng)進(jìn)入沸騰冷卻區(qū)域的球體表面獲得的冷卻速度很快；而在蒸汽膜籠罩區(qū)，隨所在球體表面溫度的降低，冷卻速度卻在減慢。它們之 間的溫度差越來越大。在基礎(chǔ)油和快速油中，當(dāng)超前擴(kuò)展點(diǎn)所在部位冷到對(duì)流冷卻階段時(shí)，在球體的另一面，卻還有部分表面被蒸汽膜籠罩著。有效厚度相同，冷卻 的“命運(yùn)”卻不相同，這是三階段理論無法解釋的第一個(gè)怪現(xiàn)象。 2、超前擴(kuò)展點(diǎn)的出現(xiàn)部位有很大的隨機(jī)偶然性 按

23、三階段理論，在均勻冷卻條件下，均勻球體上不同部位進(jìn)入沸騰冷卻階段的時(shí)間是相同的。然而如圖9所示，在球體上出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的部位有很強(qiáng)的隨 機(jī)偶然性。某處能出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)，一是該處蒸汽膜厚度波動(dòng)的振幅很大；二是液體內(nèi)部的熱起伏使該處的液溫偏低程度也很大。只有這兩項(xiàng)有利因素湊合在一起， 才能在該處出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)。這就進(jìn)一步加大了超前擴(kuò)展點(diǎn)出現(xiàn)位置的隨機(jī)性。而超前擴(kuò)展點(diǎn)的出現(xiàn)部位不同，球體隨后的冷卻情況也就隨之不同。球體上其它部位 的冷卻命運(yùn)也隨之改變。表面某確定部位在冷卻中的命運(yùn)無法確定。這是三階段理論無法解釋的第二個(gè)怪現(xiàn)象。 3、有時(shí)只有一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)現(xiàn)象 在基礎(chǔ)油和快速淬火油中，當(dāng)球體試樣表面光

24、潔程度較高時(shí)，多次出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：出現(xiàn)一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)后，在交界線的擴(kuò)展過程中，直至蒸汽膜區(qū)消失，不再出現(xiàn)第2個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)。 可以這樣解釋此現(xiàn)象：球體試樣上形成的完整蒸汽膜把液體和球體隔離開。在擾動(dòng)的強(qiáng)度相同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的蒸汽膜厚度波動(dòng)振幅最大。因而，在完整 蒸汽膜條件下，容易產(chǎn)生瞬時(shí)擴(kuò)展點(diǎn)。而超前擴(kuò)展點(diǎn)出現(xiàn)后，與球體表面連接的蒸汽膜的邊界線對(duì)蒸汽膜擾動(dòng)起了牽制作用，使擾動(dòng)的振幅大大減小。如圖16所 示。而且，隨著蒸汽膜區(qū)的縮小，蒸汽膜邊界線會(huì)越長，牽制作用也必然越來越大。而另一方面，蒸汽膜區(qū)域越小，也使它可能產(chǎn)生的擾動(dòng)減小。其結(jié)果，再出現(xiàn)新 的超前擴(kuò)展點(diǎn)的可能性越來越小。這是三階段理論無法

25、解釋的第三個(gè)怪現(xiàn)象。 圖16 出現(xiàn)第一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)后，蒸汽膜厚度的波動(dòng)減小，不易再形成第二個(gè)及以上的超前擴(kuò)展點(diǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水性介質(zhì)，特別是鹽水中容易出現(xiàn)第2個(gè)以上的超前擴(kuò)展點(diǎn)。不光潔的球體表面容易出現(xiàn)第二個(gè)及以上的超前擴(kuò)展點(diǎn)。 4、判定“是處于蒸汽膜階段，還是處于沸騰冷卻階段？”遇到的困難 按照三階段理論，工件淬火冷卻中，由高溫到低溫，過了蒸汽膜階段，就是沸騰冷卻階段。因此，所有有效厚度相同的部分都應(yīng)當(dāng)同時(shí)進(jìn)入沸騰冷卻階段。 按這樣的道理，均勻圓球上的不同部分應(yīng)當(dāng)同時(shí)進(jìn)入沸騰冷卻階段。但是，球體試樣在油中冷卻時(shí)，從出現(xiàn)第一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)，到最后一部分蒸汽膜籠罩區(qū)消失為 止，球體表面上的不同部位，有

26、的處在蒸汽膜籠罩階段，有的處在沸騰冷卻階段。這種狀況在直徑60mm的球體上，最長的維持了二十多秒。這期間，球體上某個(gè) 特定點(diǎn)部位究竟處于哪個(gè)冷卻階段，又無法預(yù)先確定，而只能聽天由命。人們不禁要問，對(duì)于這個(gè)均勻的球體，或者有效厚度相同的表面，這一期間究竟屬于哪個(gè)冷 卻階段？ 同樣難以解釋的另一類現(xiàn)象是，在對(duì)PAG淬火液、其它水性介質(zhì)、甚至快速淬火油的試驗(yàn)中，當(dāng)蒸汽膜以爆炸方式，或者交界線以相當(dāng)快的速度掃過試樣 表面后，在大部分處于沸騰冷卻階段的區(qū)域內(nèi)，常常能看到一些大小不等、形狀不規(guī)則，且出現(xiàn)部位又無規(guī)律的成片的蒸汽膜籠罩區(qū)。這種狀況要一段時(shí)間才會(huì)全部 消失。而只有到它們完全消失后，才能看到單純

27、的沸騰冷卻現(xiàn)象。圖17是球體在勻速冷卻液中冷卻，聽到爆炸聲響時(shí)，我們看到的卻是在沸騰冷卻區(qū)內(nèi)包含一些局 部蒸汽膜冷卻區(qū)的球體表面。這種混合階段冷卻過程持續(xù)了好幾秒鐘。而后才是單純的沸騰冷卻階段。我們這樣解釋局部蒸汽膜的成因：只有球體表面溫度比較高 時(shí)，交界線擴(kuò)展過去后，才可能出現(xiàn)局部蒸汽膜區(qū)。這類局部蒸汽膜區(qū)的出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)與液體中的熱起伏有關(guān)。在熱起伏引起局部液溫偏高的區(qū)域，一些本來孤立的蒸 汽泡有可能連成片。這就成為所指的局部蒸汽膜。人們不禁又要問：在具有相同有效厚度的球體上，這類同時(shí)存在蒸汽膜籠罩區(qū)和沸騰冷卻區(qū)的冷卻階段，是屬于蒸 汽膜冷卻階段，還是沸騰冷卻階段？ 圖17 PAG淬火液中，完

28、整蒸汽膜結(jié)束后，出現(xiàn)了局部蒸汽膜區(qū)與沸騰冷卻區(qū)共存的冷卻階段上述兩類在同一有效厚度表面出現(xiàn)的蒸汽膜區(qū)和沸騰冷卻區(qū)的共存現(xiàn)象，不能用現(xiàn)行的三階段理論來加以解釋。而相應(yīng)的冷卻階段既不能歸入蒸汽膜冷卻階段，也不能歸入沸騰冷卻階段。這是第4個(gè)怪現(xiàn)象。 五 液體淬火介質(zhì)中淬火冷卻的四階段理論 鑒于目前普遍采用的三階段理論不能解釋上面提出的諸多現(xiàn)象，本文認(rèn)為，應(yīng)當(dāng)在蒸汽膜階段與沸騰冷卻階段之間增加一個(gè)冷卻階段。這個(gè)階段是局部蒸汽 膜區(qū)和沸騰冷卻區(qū)共存的階段。可以把它叫做“中間階段”。加上原來的三個(gè)階段，就成為液態(tài)冷卻介質(zhì)中冷卻的四階段。有關(guān)四階段的理論應(yīng)能包含和解釋本文第 四部分所列舉的所有奇怪現(xiàn)象，并能

29、說明它和現(xiàn)行三階段理論的關(guān)系。 1、表面特定點(diǎn)及其等效厚度點(diǎn)集的冷卻特性曲線 為了闡明三階段理論和四階段理論的差別，有必要提出工件（試樣）上的等效厚度問題。熱電偶測出的溫度，實(shí)質(zhì)上就是熱電偶熱端的溫度。計(jì)量工件的溫 度和冷卻速度，就是以該熱端反應(yīng)的溫度來決定的。因此，從實(shí)用的角度看，在有關(guān)淬火冷卻的問題中，可以把工件上熱電偶熱端大小的一小部分，作為組成工件的 最小單元，并把它看成是一個(gè)“點(diǎn)”。在受到均勻加熱或者均勻冷卻的條件下，把工件上幾何關(guān)系相同而“應(yīng)當(dāng)”獲得相同的加熱和冷卻效果的部分，稱為工件上的 “等效厚度部分”，或者“等效厚度點(diǎn)集”，包括等效厚度表面、等效厚度區(qū)和等效厚度中心線等。熱處

30、理工 作面對(duì)的不是工件上的某個(gè)點(diǎn)，而是包含各組成部分的整個(gè)工件或者說點(diǎn)集。四階段理論描述的是工件上所有具有某種相同幾何位置關(guān)系的特定點(diǎn)的總體（點(diǎn)集）的 情況。這既包括所有某種特定等效厚度表面，也包括所有某種特定等效厚度部位。無疑，等效厚度點(diǎn)集的冷卻特性是由組成它的各特定點(diǎn)的冷卻特性匯集成的。 先討論表面特定點(diǎn)的冷卻特性曲線。以球體試樣為例，在液態(tài)介質(zhì)中冷卻時(shí)，一次測量的冷卻過程曲線和冷卻速度曲線分別可以表示成圖18a)和18b)。 圖18 特定點(diǎn)的冷卻過程曲線a)和冷卻速度曲線b)再來討論工件的表面部分。對(duì) 于球體試樣的整個(gè)表面，可以把相應(yīng)的冷卻過程曲線和冷卻速度曲線表示成圖19a)和19b)

31、所示的形式。在圖19a)中，按球體的表面溫度來劃分四個(gè)階 段：T1以上是蒸汽膜階段，T1T2是中間階段。如以所用介質(zhì)的沸點(diǎn)溫度Tb作為沸騰冷卻的終止溫度，那么T2Tb就是沸騰階段的溫度范圍。球體的表 面是有效厚度相同的表面，因中間階段的存在，到最后一部分蒸汽膜消失時(shí)，球體表面不同部位的最大溫度差為BC。這樣大的差異，實(shí)在難以與它們具有相同的有 效厚度聯(lián)系在一起。在圖19b)中，abef表示中間階段的冷卻速度分布情況。值得注意的是，按該圖線所示，球體表面上特定點(diǎn)可能獲得的冷卻速度值不在 ab線上，就在ef線上?？傊豢赡苋b線和ef線之間的值。 a) 點(diǎn)集的冷卻過程曲線 b) 點(diǎn)集的冷卻速度

32、曲線 圖19 球體表面點(diǎn)集的冷卻過程曲線a）和冷卻速度曲線b）圖19a)中，曲線上 A點(diǎn)以上部分為球體表面的蒸汽膜階段。此階段球體表面不同部位始終具有基本相同的冷卻速度。從A點(diǎn)開始，不同的部位先后進(jìn)入沸騰冷卻階段。最早進(jìn)入沸騰階 段的是第一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)所在部位。它的冷卻過程用曲線AC表示。隨后進(jìn)入沸騰冷卻階段的表面部分，從AB線上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)開始，沿大致與AC曲線相似而又平行 的曲線冷卻下去。最后進(jìn)入沸騰冷卻階段的部位，其沸騰階段的冷卻過程曲線從B點(diǎn)開始。 圖19b)中T1溫度以上是球體的完整蒸汽膜階段。在T1溫度時(shí)，球體表面某處出現(xiàn)了第一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)。a點(diǎn)表示成為超前擴(kuò)展點(diǎn)之前該點(diǎn)的冷卻速 度。

33、e點(diǎn)則表示成為超前擴(kuò)展點(diǎn)后該點(diǎn)獲得的冷卻速度。此后，進(jìn)入沸騰冷卻階段的該點(diǎn)及其周圍部分的冷卻速度大小沿ef線變化，而在交界線還沒有擴(kuò)展到的蒸 汽膜籠罩區(qū)，它們的冷卻速度則隨其所在部位的表面溫度降低而沿ab線變化。這種分道揚(yáng)鑣的狀況到最后那部分蒸汽膜消失才結(jié)束。無疑，到最后一部分蒸汽膜消 失時(shí)，最早開始沸騰冷卻的部分已經(jīng)沿ef的延長線冷到低得多的溫度了。 根據(jù)出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的隨機(jī)性，不難推測：在保持試驗(yàn)條件不變的前提下，對(duì)球體表面任何一個(gè)特定點(diǎn)，反復(fù)很多次測量其冷卻特性，并把測量結(jié)果畫在同一張圖線上，得到的必然是圖19所示形式的曲線。 對(duì)于特定試樣和介質(zhì)的組合，表面溫度降低到T0以下時(shí)的某個(gè)值，

34、比如T1時(shí)，才可能出現(xiàn)第一個(gè)超前擴(kuò)展點(diǎn)。在隨后的交界線擴(kuò)展過程中，在殘存的蒸 汽膜籠罩區(qū)，如果再產(chǎn)生更多的超前擴(kuò)展點(diǎn)，則可以加快蒸汽膜區(qū)的消亡。最后一片蒸汽膜區(qū)消失時(shí)，該部位的表面溫度為T2 。T2總是高于T*點(diǎn)。參照四點(diǎn)圖，把理論和實(shí)際的四個(gè)階段劃分原則作成表1。 表1 四個(gè)階段的劃分原則 階段名稱理論的劃分實(shí)際的劃分蒸汽膜階段T0以上T1以上中間階段T0 T*T1 T2沸騰階段T* TbT2 Tb對(duì)流階段Tb 液溫Tb 液溫2、一般工件表面的冷卻過程也應(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：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

35、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(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，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

36、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，說明了實(shí)際工件上等效厚度表面冷卻過程的基本規(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，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)。 3、內(nèi)部特定點(diǎn)與其等效厚度部分的冷卻特性曲線 工件內(nèi)部任何一個(gè)點(diǎn)的冷卻，都是工件表面與冷卻介質(zhì)的熱交換使表面降溫之

37、后，再根據(jù)該特定點(diǎn)所在的位置關(guān)系，經(jīng)過復(fù)雜的傳熱過程來實(shí)現(xiàn)的。因此， 工件表面獲得的冷卻情況，決定了內(nèi)部點(diǎn)的冷卻進(jìn)程。工件所有等效厚度表面都獲得相同的冷卻效果時(shí)，工件內(nèi)部某等效厚度點(diǎn)獲得的是一種冷卻進(jìn)程。而當(dāng)工件上 具有等效厚度的表面獲得的冷卻情況由四階段理論決定時(shí)，工件內(nèi)部某等效厚度部分獲得的冷卻進(jìn)程也必然具有四階段的特點(diǎn)。推算已經(jīng)證明（將在另外的文章中介 紹），按四階段理論，工件內(nèi)部點(diǎn)的冷卻過程曲線和冷卻速度曲線可以分別作成圖20a)和20b)的形式。而工件內(nèi)部特定等效厚度部分相應(yīng)的冷卻過程曲線和 冷卻速度曲線,則可以表示成圖21a)和21b)所示的形式。 圖20 工件內(nèi)部點(diǎn)的冷卻特性曲線

38、圖21 工件內(nèi)部特定等效厚度點(diǎn)集的四階段理論曲線根據(jù)出現(xiàn)超前擴(kuò)展點(diǎn)的隨機(jī)性，不難推測：在保持試驗(yàn)條件不變的前提下，對(duì)球體內(nèi)部任何一個(gè)特定點(diǎn)，反復(fù)很多次測量其冷卻特性，并把測量結(jié)果畫在同一張圖線上，得到的必然是圖21所示形式的曲線。 4、關(guān)于現(xiàn)行的三階段理論 淬火冷卻過程中，內(nèi)部某點(diǎn)P的溫度降低是通過向更外部分散熱來實(shí)現(xiàn)的，如圖22所示。產(chǎn)生這種散熱的最終原因是液體介質(zhì)對(duì)工件表面的冷卻作用。遠(yuǎn) 近不同的表面部分被冷卻，再通過熱傳導(dǎo)使P點(diǎn)冷卻下來。不管參與冷卻的表面處于蒸汽膜階段、沸騰階段、還是對(duì)流階段，離P點(diǎn)越近，其降溫情況對(duì)P點(diǎn)產(chǎn)生影 響就越早；離P點(diǎn)越遠(yuǎn)，其降溫情況對(duì)P點(diǎn)產(chǎn)生影響就越遲。因此

39、，任何時(shí)刻P點(diǎn)實(shí)際的冷卻情況是在該時(shí)刻之前一定時(shí)間范圍內(nèi)，遠(yuǎn)近不同的表面所受冷卻情況的 綜合影響的結(jié)果。圖22的內(nèi)部點(diǎn)冷卻特性曲線，表述的就是這種影響隨時(shí)間的變化和隨P點(diǎn)溫度的變化情況。我們通常用來描述淬火介質(zhì)冷卻特性的圖線，也正是 這類曲線。它們既不是工件（探棒）表面的冷卻過程曲線，也不是工件（探棒）表面獲得的冷卻速度隨表面溫度變化的曲線。用這樣的曲線來劃分液態(tài)淬火介質(zhì)中冷 卻的三階段，無疑是不恰當(dāng)?shù)?。這些曲線只能用來檢驗(yàn)淬火介質(zhì)產(chǎn)品，或者用來比較不同介質(zhì)的冷卻特性差異。 圖22 冷卻過程中，內(nèi)部點(diǎn)向其更外部分散熱的方向5、影響中間階段特性的因素 影響四點(diǎn)圖中四個(gè)溫度值的因素，就是影響中間階段的因素。液態(tài)介質(zhì)的特性和使用溫度，以及與固態(tài)表面的配對(duì)關(guān)系主要影響TO和T*溫度值，也影響 T1值的高低。工件的形狀特點(diǎn)、冷卻時(shí)的裝掛方式和介質(zhì)的攪動(dòng)情況等主要影響T1和T2的高低和超前擴(kuò)展點(diǎn)的數(shù)量。作為例子，圖23介紹了幾種因素對(duì)四點(diǎn) 圖的影響趨勢，包括清水和鹽水、基礎(chǔ)油和快速淬火油，以及冷水和熱水的四點(diǎn)圖對(duì)比。