问题3.淬火介质的三阶段理论和四阶段理论那个更好呢？

Wangqinghua196

有物态变化的淬火介质中，传统的三阶段理论和四阶段理论，哪个更真实呢？

随风飘飘

汪工，可否介绍一下四个阶段与三个阶段的不同之处，我只知道冷却过程的三个阶段。

所以因为

上一篇文章大家参考：
冷却速度曲线上出现3个区段的条件:
在研究无机盐水溶液时，曾经有过一种错误的说法：“在任何液体介质中淬火冷却，都会出现蒸汽膜（膜沸腾）阶段、（泡）沸腾阶段和对流冷却阶段”。即便在采用1000张/s的快速摄影也没有发现蒸汽膜阶段时，也仍然坚持这一看法。
为了说明上述说法的错误所在，我们简单分析一下上述3个阶段的成因。在冷却的蒸汽膜阶段，红热工件被水蒸气包裹着。此时，工件表面向外部散热是通过热辐射和水蒸气的对流来实现的。其中，热辐射的作用最大。靠辐射热以及对流传递的热使包裹蒸汽膜的汽－液界面发生沸腾。沸腾产生的水蒸气充实进蒸汽膜中，使膜内的蒸汽压足以抵挡外部液体的压力，则蒸汽膜得以维持。
我们知道，物体表面向外辐射的热量与该表面的绝对温度的4次方成正比。因此，工件表面温度越高，汽－液界面上的沸腾就越激烈。其结果蒸汽膜就越厚，也越稳定。由于稳定的蒸汽膜阶段几乎没有气泡进入液相中，我们可以把气液界面包裹着的部分看成一个体系。这个体系的外部是气体，里面包裹着的是固体。这个体系对外的热散失主要是靠对流来进行。接触上述体系的液体被加热，再通过对流把热量带到更远处。其情形就像始终保持在 100℃的工件在水中的散热情况一样。随着冷却的进行，工件表面温度降低，汽－液界面上沸腾的激烈程度会迅速降低。蒸汽膜阶段的冷却速度随之减小。由于沸腾区域的汽－液界面上发生着的是水蒸汽?水的双向变化，当水沸腾产生的水蒸气的量少于膜内的水蒸气变成水所损失的量时，包裹工件的蒸汽膜就会变薄。当蒸汽膜内保有的水蒸气少到不能抵挡外部液体的压力时，蒸汽膜就会破裂。蒸汽膜阶段也就终止了。工件上该部位也就进入了沸腾冷却阶段。
综上所述，工件（或探棒）冷却过程中是否出现蒸汽膜阶段，完全决定于工件表面的温度高低。只有工件表面温度超过一定程度后，冷却过程中才会出现蒸汽膜阶段。这个特定的温度值是随工件的特点、所用介质的特性和其它有关条件而变的。只有工件的表面温度高于上述特定的温度值时，才可能出现和维持冷却的蒸汽膜阶段。低于这个值，就形不成完整而稳定的蒸汽膜，也就见不到冷却的蒸汽膜阶段。我们把这个特定温度叫做该介质在当时的使用条件下的特性温度。和在统一约定的条件下，评价不同介质品种的冷却特性的标准相比，上述特定温度应当是广义的特性温度；而标准中的则是狭义的特性温度。狭义的特性温度的测定条件大多是：在介质不搅动的条件下，水性样品用30℃的液温，快速油用50℃的油温，热油用100℃的油温。同时要说明的是，采用热电偶热端位于探头中心的测定标准侧出的特性温度值，总是低于工件表面实际的特性温度值。此外，我们从道理上讨论特性温度问题时，用的是工件表面的实际的特性温度，也就是广义的特性温度。实际工件淬火时，表面的不同部位在不同的时间接触的介质的特性温度是不相同的，并且是在变化的。
工件表面温度低于介质的上述特性温度，就进入沸腾冷却阶段。在沸腾冷却阶段，工件的散热途径更为多样，既包含介质与工件表面直接接触的热转递散热、介质变成蒸汽的吸热，也包括所有情况下的表面热辐射散热和对流传热散热。当表面温度降低到稍高于介质的沸点温度时，沸腾冷却阶段就结束了。继续冷却就主要靠介质接触工件的热转递和介质的对流散热来完成，直至工件表面温度与介质温度相同为止。
综上所述，在液体介质中做淬火冷却，当介质的平均温度低于介质的沸点温度时，可能出现的冷却阶段为：
①如果淬入工件的表面温度高于所用介质的特性温度，冷却过程将出现蒸汽膜阶段、沸腾阶段和对流阶段。
② 当淬入工件的表面温度处于介质的特性温度和介质的沸点温度之间时，出现沸腾阶段和对流阶段。
③当淬入工件的表面温度等于低于介质的沸点温度时，就只有对流冷却阶段了。

吉祥如意

中间阶段的理论，确实有独到之处。因有些观点尚在进一步的证实中，故暂不作过多的评论。

草原的风

如果一直冷却到室温当然是四阶段更符合实际了。

草原的风

我觉得应该是5阶段更合适：
1、膜状沸腾阶段（蒸汽膜）
2、第一沸腾转变阶段
3、泡状沸腾阶段
4、第二沸腾转变阶段
5、对流传热阶段

吉祥如意

草原的风 发表于 2013-6-17 15:57
我觉得应该是5阶段更合适：
1、膜状沸腾阶段（蒸汽膜）
2、第一沸腾转变阶段

王老师，可否在这里普及一下五阶段理论。
我还是有浓厚的兴趣听讲的。

草原的风

吉祥如意 发表于 2013-6-17 16:18
王老师，可否在这里普及一下五阶段理论。
我还是有浓厚的兴趣听讲的。 ...

这个不是我的理论，是王运迪的《淬火介质》一书中的，我只不过赞同而已。

草原的风

为了让大家窥视一下，我把该内容粘贴到这里，让大家看看，当然你也可以赞同此观点，也可以不赞同，各取所需吧！
王运迪的《淬火介质》对有物态变化的冷却阶段的描述：
1．膜状沸腾阶段
当赤热的工件与液体接触时，瞬时间工件四周的液体达到沸点而汽化，但蒸汽又很快被邻近液体所冷凝，使工件表面形成了被已加热的液体的薄膜所包围的蒸汽膜。这层膜很稳定，即使强烈搅拌也不易破裂。这层蒸汽-液体膜，将赤热的工件表面与大量的液体隔开，使液膜内表面上的温度较沸点高，加上蒸汽膜的蒸汽是热的不良导体，而此阶段的冷却仅由辐射和蒸汽的导热来实现。因此，严重地妨碍了热传导，使冷却缓慢。热传导的强弱与蒸汽膜的厚薄有关。
膜内高的压力，是膜内蒸汽过热至液体沸点以上温度的条件。增大外压力，可减少蒸汽膜的厚度，而使导热加速。膜内的蒸汽压力P，等于大气压力P1、液柱压力P2和水膜的表面张力所造成的压力P3之和，即：P=P1十P2＋P3
显然，当工件在液体中冷却时，其下部承受压力较大，因而在膜状沸腾阶段，下部的冷却能力要比上部快些。但提高压力并非是工件下部较强烈冷却的唯一原因，还由于工件下部常常接触的是较冷的液体，而上部接触的则是从下面上升的被加热了的液体。当工件在淬火介质中窜动时，蒸汽膜变薄或破裂，加快了冷却。在其他相同条件下，蒸汽膜的厚度仅与蒸汽形成的速度与冷凝速度之比有关。提高蒸汽膜的形成速度，并同时降低冷凝速度，可使蒸汽膜的厚度及其稳定性增加。赤热的工件与热水接触时便是如此，而赤热的工件在冷的液体中冷却时则反之。当冷却液从蒸汽膜吸收的热量大于工件放出的热量时，蒸汽膜的厚度则减少，最后完全不稳定而消失。当液体与加热了的工件表面发生直接接触时，便开始了泡状沸腾。
2.第一沸腾转变期
第一沸腾转变期是指膜状沸腾结束和泡状沸腾开始。当被冷却的工件表面，过热至液体的沸点温度以上，到达每种液体恒定的临界值时，一种沸腾状态便转变为另一种沸腾状态。例如细的铂丝在水中冷却时，膜状沸腾至131℃则是稳定的，此时临界过热度为31℃。由试验可知，临界过热值与被冷试样的材料有关，部分材料在水中冷却的临界过热值如表1所列。
表1各种材料在水中的临界过热值
材质        铂        铁        银        镍        铜        铅
临界过热值        31        33        39        45        47.5        57

第一沸腾转变期的产生，一般是由于温差降低、蒸汽的形成速度与冷凝速度接近、氢的爆炸作用、热力学和机械作用以及盐的爆炸等所致。提高冷却液的温度或工件的温度时，皆可形成稳定性高的薄膜。于是不仅增加汽化速度，而且还降低蒸汽的冷凝速度。赤热的工件浸入电解液中，金属和液体边界形成两层异性电荷，致使液体靠近金属表面而不形成薄膜，或虽形成但并不是在开始，而是在冷却过程中间，并很快破坏。此时冷却过程与电荷有关，并与电解液电传导有关。电传导愈大，电荷形成的几率愈小，稳定薄膜形成的几率也愈小，冷却过程便愈激烈。
膜状沸腾向泡状沸腾移动的温度，称做特性温度，特性温度一般在600～700℃之间。此温度越高，就可更快地进入泡状沸腾阶段。特性温度与淬火温度及试样的大小无关，蒸汽压低、汽化潜热大、界面张力小、润湿性大、粘度小等，均可提高特性温度。此外，工件表面粗糙、氧化物的形成或涂以砥石粉等，也可提高特性温度。到达特性温度的时间—秒，称做特温秒，特性温度和特温秒，是衡量淬火介质冷却能力的重要参数。
3.泡状沸腾阶段
汽膜完全破裂，泡状沸腾开始，液体即粘湿金属表面，并与之直接接触，生成很多蒸汽泡，带有大量热量而逸出，原来汽泡占据的位置，被新的液体所补充。此时冷却速度与淬火介质汽化热的大小、蒸汽泡形成的数量和大小以及上升速度与热交换的能力等有关。而淬火介质的表面张力、比重、蒸汽的比重、外界压力的大小、被冷却的工件表面的温度和性能等，均影响蒸汽泡的形成和逸出、
工件淬火时的激烈窜动，使散热不仅靠蒸汽，而且还靠与表面直接接触的部分过热液体来进行。因而冷却速度达到最大值，工件温度急剧降低。当温度降低到淬火介质的沸点时，泡状沸腾即告结束。可见，特性温度越高，泡状沸腾越从高温开始；而淬火介质的沸点越低，此阶段就越能扩展到低温。淬火介质的沸点和特性温度之间的温度差越大，冷却就越激烈。显然，泡状沸腾阶段的热交换，即蒸发和冷凝，受到淬火介质的物理性质，特别是它们的沸点和汽化热的强烈影响。
4.第二沸腾转变期
第二沸腾转变期，指泡状沸腾结束和对流热交换开始。此时的温度，称为对流阶段开始温度，取决于淬火介质的沸点。对流阶段开始温度与特性温度并列，是考核淬火介质冷却能力的重要参数。对流阶段开始温度的降低，将增加淬火缺陷（翘曲和裂纹等）。为提高此温度，通常添加降低溶液蒸汽活力的添加物，如盐、碱、酸等。
5.对流热交换阶段
被冷却工件表面的温度，降低至淬火介质沸点温度以下时，对流热交换开始。工件周围温度较高的液体与离工件较远处温度较低的液体，因温度差自然对流，带走工件的热量，其数值与介质的比热、粘度和导热率及工件表面和介质间的温差有关，同时淬火介质与工件的相对流动速度对此也有很大影响。

Wangqinghua196

草原的风 发表于 2013-6-17 15:57
我觉得应该是5阶段更合适：
1、膜状沸腾阶段（蒸汽膜）
2、第一沸腾转变阶段

支持！

吉祥如意

草原的风 发表于 2013-6-17 16:32
为了让大家窥视一下，我把该内容粘贴到这里，让大家看看，当然你也可以赞同此观点，也可以不赞同，各取所需 ...

谢谢王老师。看了再谈。

笑靥

四段论，《热处理工程师指南》