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    液态介质中淬火冷却的四阶段理论
    北京华立精细化工公司 ( 北京昌平 102200
    发表于?#24230;?#22788;理技术与装备2006年第6期
    工件在水性介质中淬火有时会听到爆炸声响本项研究工作是从探讨这种声响的产生原因开始的通过试验和研究对爆炸声响的产生提出了一种解释试验中发现了几种用当前通行的液体介质中冷却的三阶段蒸汽膜阶段沸腾阶段和对流阶段理论[1]无法解释的现象为解释这些现象本文提出了液体淬火介质中淬火冷却的四阶段理论
    一对爆炸声响产生原因的初期分析
    经过分析把此项研究观测的内容归结成两个一个是完整蒸汽膜保持稳定的条件另一个是蒸汽膜阶段的结束过程对这两个内容做了如下分析
    1在完整蒸汽膜阶段是工件表面向外散失的热量使周围的液态介质变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态介质和工件表面分隔开如图1a)因此?#33268;?#22320;说能使蒸汽膜保持稳定的条件是从工件侧进入气?#33322;?#38754;的热量Q1多于等于从气?#33322;?#38754;向液相侧散失的热量Q2,如图1b)进而可以得出这样的关系
    当Q1Q2时蒸汽膜厚度保持不变
    当Q1 > Q2时蒸汽膜厚度会增大
    当Q1 < Q2时蒸汽膜厚度会减小
    a蒸汽膜把球体和液态介质分隔开
    b气?#33322;?#38754;的热量收支Q1和Q2
    图1 完整蒸汽膜的稳定性分析
    影响这种关系的重要因素有工件表面温度高低介质的沸点高低和饱和蒸汽压大小气?#33322;?#38754;液态侧的温度梯度大小以及气?#33322;?#38754;能或者表面张力高低等其中气?#33322;?#38754;能大小不太引人注意但是众所周知要费一点力气才能把?#35797;?#27873;吹大但停止吹气后如果不堵着吹气口?#35797;?#27873;就会把里面的空气压出?#30784;?#36825;是?#35797;?#27873;膜的表面张力引起的附?#21451;?#21147;使泡内的气压高于外面气压的缘故由于气?#33322;?#38754;的表面张力蒸汽膜内的气压高于膜外的液压气?#33322;?#38754;张力越大内部气压也就越高只有更高的表面温度才能?#22659;?#26356;多的蒸汽来形成更厚的蒸汽膜因此在其它条件相同时气?#33322;?#38754;张力越大蒸汽膜就越薄相反气?#33322;?#38754;张力越小蒸汽膜就越厚
    为了排除工件形状因素的影响本文选定均匀球体为研究对象按照上面所述的道理球体表面温度越高蒸汽膜会越厚球体表面温度降低蒸汽膜厚度就会减小人们会顺理成章地认为当厚度减小到零时冷却的蒸汽膜阶段便结束了如图2所示整个球体会同时进入沸腾冷却阶段这时的球体表面温度记为T*我们认为现行的有关液态淬火介质中冷却的三阶段理论就是在这种设想的基础上建立起来的
    2大量的事例告诉我们复杂系统的变化往往是分步完成的我们认为由于不可避免的扰动在完整蒸汽膜阶段气?#33322;?#38754;上的扰动使蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中当蒸汽膜厚度降低到一定的值时在某个厚度起伏很大的部位气?#33322;?#38754;可能与工件表面接触如图3所示
    图2 球体表面温度高低与球体蒸汽膜厚度的关系
    图3 扰动引起蒸汽膜厚度波动在波动很大的部位气?#33322;?#38754;与球体表面接触
    那些虽然接触了固态表面却在极短的时间内因接触点处的液体被汽化而瞬间消失的接触我们把它称为瞬时接触?#34180;?#22240;为接触面积小时间又很短瞬时接触对球体的冷却过程影响很小如果接触部位不被马上汽化则接触部位的气固?#33322;?#30028;线上接触角就可能因三个表面张力汽液vl汽固vs液固ls的大小关系而向两类不同的平衡接触角演变如图4所示
    a)液体不润湿固体表面 b)液体润湿固体表面
    图4 两类不同的平衡接触角
    图4中上排表示在波动引起的气?#33322;?#35302;点处可能形成的两类平衡接触角下排表示在相同条件下把同样的液体滴到相同的水平固体表面上所形成的两类平衡液滴的形?#30784;?#20854;中左图表示液体对固体表面不润湿因此接触角小于900时的情况右图表示液体对固体表面有润湿性因此接触角大于900时的情况在左上图中由于瞬时接触点产生的接触角度已经接近不润湿条件下的平衡接触角接触区就不可能向蒸汽膜区扩展因为不能扩展高温的固体表面很快就会把接触区的液体变成蒸汽其结果接触点很快消失完整蒸汽膜得以维持而在右上图所示的情况下液体和固体表面的接触区是否能继续扩大将决定于液体对固态表面的润湿性大小液态介质对固体表面的润湿性越好接触角越大接触区的扩展速度就越快在固体表面温度不太高?#28909;?#19981;超过T0且接触区边界的扩展速度足够快能保证接触部的液体不马上被汽化时该接触区就会?#20013;?#21521;固体表面区扩展本文把能够成功扩展下去的上述接触点称为超前扩展点?#34180;?#35828;它超前?#20445;?#26159;因为当时固体表面温度还远高于T*接触区的扩展过程也就是蒸汽膜笼罩区的缩小过程固体表面上蒸汽膜区的边界是固气液三相区的交界线以下简称三相交界线?#20445;?#25110;者交界线?#34180;?#20132;界线的移动反应的是液固接触区的扩大过程?#37085;?#30340;交界线移动可以直接观测到较快的交界线移动可以用摄像加以记录
    如果液体对固体表面有较好的润湿性三相交界线达到表面张力平衡时交界线部位应当具?#22411;?之右上图所示的平衡关系但是在扰动引起瞬时接触点时接触点部位应当具?#22411;?之左上图所示的情形?#21248;?#22312;该处三个表面张力没有达到平衡在向平衡关系的过渡过程中交界线就会自动向蒸汽膜区推进如图5所示
    3关于爆炸声响的产生原因推测当扩展速度非常快时蒸汽膜中的水蒸气被推成偏向一侧的大气泡该大气泡因深入温度?#31995;?#30340;液层而被迅速冷凝蒸汽冷凝的结果在原来气泡所在位置形成了一个有一定真空度的偏心真空球周围的液体在填补该真空区时发生冲撞就产生了爆炸声响如图6所示
    图5 在三相交界线上因三个表面张力的关系趋于平衡而引起交界线的扩展
    图6 爆炸声响的产生过程推测
    据资料介绍由高温水蒸气在较冷的水中冷凝而引起爆炸声响叫做冷凝爆炸[2]或者水锤现象[3]
    按照上述思路我们确定了几个实验观测内容一是?#39029;?#33267;少一个可能使蒸汽膜厚度发生起伏的扰动因素二是用事实证明出现超前扩展点是一种普遍现象三是验证关于爆炸声响产生原因的推测或者?#19994;?#21478;外的成因

    评论
    匿名用户 [来自218.89.119.131]
    2014-11-25 11:25

    2

    匿名用户 [来自188.143.234.155]
    2015-11-24 00:49
    Fidning this post has solved my problem



    我?#27492;?#20004;句



    вƱĸ
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