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在液態(tài)淬火介質(zhì)中冷卻的四階段理論

在水性介質(zhì)中淬火，有時(shí)會(huì)聽到爆炸聲響。為了尋找產(chǎn)生這種聲響的原因，本文從理論分析和試驗(yàn)觀測(cè)兩方面研究了：1.完整蒸汽膜保持穩(wěn)定的條件，2.蒸汽膜階段的結(jié)束過程。

初期的分析認(rèn)為：

1．在完整蒸汽膜階段，蒸汽膜把液態(tài)介質(zhì)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(duì)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(yīng)當(dāng)是在蒸汽膜厚度均勻減薄近零時(shí)才同時(shí)發(fā)生。由于不可避免的擾動(dòng)，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(dāng)氣膜厚度降低到一定的程度時(shí)，在某個(gè)起伏較大的部位，液態(tài)介質(zhì)可能與工件表面接觸。如果接觸部位不被馬上汽化，且液態(tài)介質(zhì)對(duì)該表面又有較好的潤濕性，則該接觸區(qū)就會(huì)向固體表面擴(kuò)展。本文把能夠成功擴(kuò)展的上述接觸點(diǎn)稱為超前接觸點(diǎn)。擴(kuò)展速度決定于相關(guān)的三個(gè)表面能(汽-液，汽-固，液-固)的大小關(guān)系。對(duì)球形工件，我們推測(cè)：當(dāng)擴(kuò)展速度非?？鞎r(shí)，表面蒸汽膜中的氣相介質(zhì)可能被推成偏向一側(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。這就在原來氣泡所在位置形成了一個(gè)有一定真空度的真空球。周圍的液體在填補(bǔ)該真空球時(shí)發(fā)生沖撞而產(chǎn)生爆炸聲響。

開始時(shí)，試驗(yàn)觀測(cè)的目的只有兩個(gè)：1.找出一個(gè)能使蒸汽膜厚度發(fā)生起伏的擾動(dòng)事實(shí)，用以證明產(chǎn)生超前接觸點(diǎn)的可能性。2.攝像觀測(cè)上述推測(cè)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(chǔ)油、快速油、PAG淬火液以及勻速冷卻液為試驗(yàn)介質(zhì)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)：

1.觀測(cè)到一種擾動(dòng)現(xiàn)象，并對(duì)其進(jìn)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(yàn)中都觀測(cè)到上述超前接觸點(diǎn)現(xiàn)象。超前接觸點(diǎn)的出現(xiàn)位置有很大的隨機(jī)偶然性。在均勻的球體上，出現(xiàn)一個(gè)超前接觸點(diǎn)后，很難再出現(xiàn)第二個(gè)。蒸汽膜階段的結(jié)束從超前接觸點(diǎn)開始，逐漸擴(kuò)展到整個(gè)球體表面。超前接觸點(diǎn)出現(xiàn)的位置不同，隨后的擴(kuò)展途徑也不同。

3.當(dāng)接觸區(qū)的擴(kuò)展速度比較慢時(shí)，蒸汽膜籠罩區(qū)與已經(jīng)進(jìn)入沸騰冷卻階段的區(qū)域共同存在的時(shí)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(shí)間相對(duì)較短。

4.在發(fā)生爆炸的試樣上，可以觀測(cè)到相似于爆炸的現(xiàn)象和聽到爆炸聲響。在發(fā)生爆炸之后的一段時(shí)間內(nèi)，球體表面上既存在通常意義上的沸騰冷卻區(qū)，也同時(shí)存在比較穩(wěn)定的柱狀蒸汽泡的冷卻區(qū)。本文認(rèn)為，這是沸騰冷卻和蒸汽膜冷卻方式共存的冷卻時(shí)期。

(源自：中國數(shù)控機(jī)床網(wǎng))
5．在所做的試樣中，沒有觀測(cè)記錄到前述真空球的產(chǎn)生過程。因?yàn)橹辉跇O快速擴(kuò)展的試樣上聽到爆炸聲響，本文這樣解釋其產(chǎn)生原因：由于擴(kuò)展在極的時(shí)間內(nèi)完成，在水-固交界線上，水接觸高溫固態(tài)表面時(shí)發(fā)出的一連串的氣泡爆裂聲被人耳聽成了一次爆炸聲響。

當(dāng)前，在液態(tài)淬火介質(zhì)中做淬火冷卻，通用的是“蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流階段”的三階段理論。在本試驗(yàn)中出現(xiàn)的很多現(xiàn)象是三階段理論不能解釋的。

分析上述現(xiàn)象，并結(jié)合多年來研究和應(yīng)用液態(tài)淬火介質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)，本文提出了工件在液態(tài)淬火介質(zhì)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(duì)流階段。中間階段是蒸汽膜冷卻區(qū)和沸騰冷卻區(qū)共存的冷卻階段。中間階段從出現(xiàn)超前接觸點(diǎn)開始，到工件上同一有效厚度部位全部進(jìn)入沸騰冷卻階段為止。本文預(yù)測(cè)，由于超前接觸點(diǎn)的出現(xiàn)位置有很大的隨機(jī)偶然性，會(huì)使工件在中間階段的冷卻結(jié)果具有相當(dāng)大隨機(jī)波動(dòng)范圍。液體淬火介質(zhì)的特性溫度問題，就產(chǎn)生于這個(gè)中間階段的特性。

研究和應(yīng)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(xiàn)的多種差異和變化。2.指導(dǎo)熱處理工作者更好地選擇和應(yīng)用液態(tài)淬火介質(zhì)。3.為計(jì)算機(jī)模擬工件冷卻過程提供提高計(jì)算準(zhǔn)確度的改進(jìn)方向。
(源自：中國數(shù)控機(jī)床網(wǎng))