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因素开始的。通过实验和研究，对爆炸声响的产生提出了一种解释。实验中发 现了几种用目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 对爆炸声响产生因素的初期分析 通过度析，把此项研究观测的内容归结成两个：一种是完整蒸汽膜保持稳定的条件；另一种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边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，粗略地说，能使蒸汽膜保持稳定的条件是：从工件侧进入气液界面的热量Q1，多于、等于从气液 界面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）气液界面的热量收支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：工件表面温度高下、介 质的沸点高下和饱和蒸汽压大小、气液界面液态侧的温度梯度大小，以及气液界面能（或者表面张力）高下等。其中，气液界面能大小不太引人注意。但是，众所周 知，要费一点力气才干把肥皂泡吹大。但停止吹气后，如果不堵着吹气口，肥皂泡就会把里面的空气压出来。这是肥皂泡膜的表面张力引起的附加压力使泡内的气压 高于外面气压的缘故。由于气液界面的表面张力，蒸汽膜内的气压高于膜外的液压。气液界面张力越大，内部气压也就越高。只有更高的表面温度，才干烤出更多的 蒸汽来形成更厚的蒸汽膜。因此，在其他条件相似时，气液界面张力越大，蒸汽膜就越薄；相反，气液界面张力越小，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。球体表面温度减少，蒸汽膜厚度 就会减小。人们会顺理成章地觉得，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。整个球体会同步进入沸腾冷却阶段。这时的球体表面温度记为 T*。我们觉得，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本上建立起来的。 图2 球体表面温度高下与球体蒸汽膜厚度的关系 2、大量的事例告诉我们，复杂系统的变化往往是分步完毕的。我们觉得，由于不可避免的扰动，在完整蒸汽膜阶段，气液界面上的扰动使蒸汽膜的厚度始终处在起伏变化之中。当蒸汽膜厚度减少到一定的值时，在某个厚度起伏很大的部位，气液界面也许与工件表面接触，如图3所示。 图3 扰动引起蒸汽膜厚度波动，在波动很大的部位气液界面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”。由于接触面积小，时间又很短，瞬时接触对球体的冷 却过程影响很小。如果接触部位不被立即汽化，则接触部位的气、固、液交界线上，接触角就也许因三个表面张力（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，上排表达在波动引起的气液接触点处也许形成 的两类平衡接触角。下排表达在相似条件下，把同样的液体滴到相似的水平固体表面上所形成的两类平衡液滴的形状。其中，左图表达液体对固体表面不润湿，因此 接触角不不小于90时的状况。右图表达液体对固体表面有润湿性，因此接触角不小于90时的状况。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，接触区就不也许向蒸汽膜区扩展。由于不能扩展，高温的固体表面不久就会把接触区的液体变成蒸汽。其成果，接触点不久消失。完整蒸汽膜得 以维持。而在右上图所示的状况下，液体和固体表面的接触区与否能继续扩大，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，例如不超过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立即被汽化时，该接触区就 会持续向固体表面区扩展。本文把可以成功扩展下去的上述接触点称为“超前扩展点”。说它“超前”，是由于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。如下简称“三相交界线”，或者“交界线”。交界线的移动反映 的是液、固接触区的扩大过程。缓慢的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，交界线部位应当具有图4之右上图所示的平衡关系。但是，在扰动引起瞬时接触点 时，接触点部位应当具有图4之左上图所示的情形。显然，在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动，如图 5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3、有关 爆炸声响的产生因素（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。该大气泡因进一步温度较低的液层而被迅速冷凝。蒸汽冷凝的结 果，在本来气泡所在位置，形成了一种有一定真空度的偏心真空球。周边的液体在弥补该真空区时发生冲撞，就产生了爆炸声响，如图6所示。 图6 爆炸声响的产生过程（推测）据资料简介，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，我们拟定了几种实验观测内容：一是找出至少一种也许使蒸汽膜厚度发生起伏的扰动因素。二是用事实证明浮现超前扩展点是一种普遍现象。三是验证有关爆炸声响产生因素的推测；或者找到此外的成因。 二 实验措施和实验内容 为减少表面氧化的影响和避免冷却过程中的相变，选用了在加热和冷却过程中无相变的耐热不锈钢来加工成试样。为了避开形状因素的影响，采用的重要是 直径30mm和60mm的球体试样。为保证球体的吊挂部位不成为超前扩展点，球体上的吊挂部位稍凹下去了一点，并采用很细的电炉丝来吊挂球体，如图7所 示。 图7 球体试样及其吊挂方式为便于观测和摄像，重要选用无色透明冷却介质品种。如清水，盐水、优质矿物油基本油、迅速淬火油、汽液匀速冷却液，以及PAG淬火液。 用一般摄像机摄像。摄像速率为每秒25帧。曝光时间选在1/5001/秒之间，多数状况下用1/1000秒。 试样的加热温度一般为900。试样先在实验箱式炉中加热透烧，再转移到盛有冷却介质的大烧杯中冷却。用摄像机对试样的冷却过程做了观测记录。 三 实验成果与分析 1、扰动和超前扩展点 在实际工件的冷却过程中，也许引起蒸汽膜厚度波动的因素（即扰动因素）诸多。实验发现，在不做附加搅动的条件下，从球体完整蒸汽膜的上方排出水蒸 汽泡所引起的扰动最大。排出这种气泡的过程有周期性。球体表面温度高，单位时间内排出的气泡的个数就多，排出气泡的周期就短；球体表面温度减少，排出气泡 的周期就加长。图8是对这一周期过程能引起蒸汽膜厚度波动的简朴推测。图中，1表达刚刚恢复成球形的蒸汽膜。2表达球形蒸汽膜的上方开始鼓泡和鼓出的泡涨 大。鼓起的泡长大并向上升时，自然会把球体气泡向上拉长。3表达鼓出的气泡向上长大并拉长到一定限度时，发生拉断。一旦发生了拉断，球体上方凸出的蒸汽膜 就会向下回弹。回弹对蒸汽膜产生压迫作用。4表达蒸汽膜因上述回弹而被压扁。压缩到其最大限度后，就会再向球形蒸汽膜位置反弹回来，直至再成为球形蒸汽 膜，如1。球体蒸汽膜所做的，基本上是一种阻尼受迫振动。 图8 球形蒸汽膜从上方形成并分离的过程引起蒸汽膜厚度变化固然，除了图8所示的 扰动因素外，尚有其他的因素也许引起蒸汽膜厚度的波动。试样上发生的扰动，是所有引起扰动的因素共同作用的成果。扰动引起的蒸汽膜厚度波动，使球体不同部 位的蒸汽膜的厚度不等。在蒸汽膜厚度最薄的部位，当其他条件满足时，就也许浮现超前扩展点。实验发现，即便是均匀的球体，其表面浮现超前扩展点的位置也有 很强的随机偶尔性。图9标出了基本油中实验时，17个出目前正面的超前扩展点的位置分布。 图9 基本油中17个超前扩展点的浮现位置我们觉得，超前扩展点的浮现位置除与扰 动引起的蒸汽膜厚度波动有关外，还也许与液体介质内部温度的不均匀性有关。把这种液体内部温度的不均匀性简称为液体内部的“热起伏”。有关的研究指出，扰 动波引起的蒸汽膜厚度波动一般均有强烈随机特性（3）。应当说，只有蒸汽膜厚度波动引起的瞬时接触，还局限性以形成超前扩展点。只有加上液体内部的热起伏正 好使该接触部位的液温偏低，才干产生超前扩展点。这就是球体上浮现超前扩展点的位置有很强的随机性的因素。 2、分界线的扩展速度 实验发现，匀速冷却液中，蒸汽膜阶段结束时，上一张图片还看到完整的蒸汽膜，0.04秒后的下一张图片上就已经完毕了“爆炸”过程，且总是发出爆 炸声响。我们既没能观测到其中的超前扩展点，也没能观测到随后的分界线扩展过程。有幸的是，在PAG淬火液的实验中，我们既看到超前扩展点和分界线的扩展 过程，也听到爆炸声响。相比之下，基本油的扩展速度相称慢。图10是直径60mm球体试样在基本油中冷却时的完整蒸汽膜、超前扩展点和扩展中的交界线的图 像。 a) 完整蒸汽膜时的图片 b) 1秒后超前扩展点已经浮现且开始扩展 c) 14秒后交界线已经扫过了大半个球面 图10 基本油中实验时的完整蒸汽膜、超前扩展点和交界线的扩展过程 淬火油的冷却速度越快，其扩展速度也越快。迅速淬火油的扩展速度就比基本油快。PAG淬火液的扩展速度比油性介质快。匀速冷却液的扩展速度则更快。几类冷却介质中交界线的扩展速度大小排序如下： 基本油 迅速油 清水 PAG淬火液 盐水 匀速冷却液 扩展过程中，气液界面和气固界面在减少，而液固界面在增长。假定：在很短的扩展时间内，蒸汽膜缩短了dl1，而液固界面则增长了dl2。可以把该扩展过程简朴地当作是蒸汽膜边沿的平移过程，如图11所示。 图11 可以把交界线的移动过程当作其端部边界的平移过程由于蒸汽膜的厚度很小，在这种平移过程中，dl1 dl2。此时，每增长单位面积的液固界面，就正好减少了一种单位面积的气液界面和一种单位面积的气固界面。设这一过程的自由能变化为G，则G与液固、液气、以及气固界面能的关系，可以表达到式（3）： Glslvsv （1） G0时，扩展才也许进行。从式（1）中可知：液固界面能越小，而液气界面能和固气界面能越大，则上述扩展过程的驱动力就越大，分界线的扩展速度也就越快。 从观测成果推算了几种介质中分界线的平均扩展速度：基本油时最低，约在每秒0.006米；迅速油的速度稍快，约为每秒0.015米。图12画出了 基本油中直径60球体上交界线的扩展进程，图中的数字“”所指的是观测记录的第条交界线，并以它作为计算时间的起点。其他的数字、 等所指的曲线，是过了约1、3、5、秒时，交界线的位置。图13是30mm直径的球体在基本油中实验时交界线的扩展过程记录。 图12 在基本油中，直径60mm球体上分界线的扩展过程，数字是不同的绘图时间（秒）图13 在基本油中，30mm直径球体上交界线的扩展进程（超前扩展点出目前背面），数字是不同的绘图时间（秒）PAG淬火液中的平均扩展速度约为每秒0.6米。匀速冷却液中，超前扩展点产生、交界线的扩展全过程都在0.0