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隔离堤法的提出与实验验证
2016-04-26 20:14:02  作者:张克俭 王水 郝学志   来源:互联网
  •   这是研究四阶段理论文章的第5篇。本文将介绍隔离堤法的提出过程,用实验验证隔离堤防止交界线扩展的作用,并分析隔离堤的作用机理。最后展望了隔离堤法在热处理中的应用前景。   一 隔离堤法的提出    ...

  这是研究四阶段理论文章的第5篇。本文将介绍隔离堤法的提出过程,用实验验证隔离堤防止交界线扩展的作用,并分析隔离堤的作用机理。最后展望了隔离堤法在热处理中的应用前景。

  一 隔离堤法的提出

  在诱导超前扩展点的实验中,起初用螺丝把诱导锥拧在球体上。但是,试验证明,这种的诱导锥起不到诱导作用。而后,改用焊接的办法,把诱导锥焊接在试样上。焊接的诱导锥都起到了诱导超前扩展点的作用[1]。

  为什么拧上去的诱导锥起不到诱导作用?

  在螺丝钉与球体表面相接触的部位,二者只是挨在一起。它们之间发生的只是固体表面间的接触。众所周知,看起来平直的固体表面,在显微镜下,却是一片高低不平的“山峰和山谷”。因此,在固体表面之间的“接触区”只存在一些“点”的接触,如图1(a)所示。这样的接触点不多,分布也不规律。图1(b)是这种接触部位的一张横截面图。可以说,在相互接触的平直固体表面之间,主要是充满空气的孔隙。空气是间隙部分的连贯相,而“接触点”只是间隙部分的分散相。这就是螺丝连接的诱导锥与球体表面之间的连接关系。

  

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  图1 显微镜下两平直固体表面的接触区(a)及其中间部位的横截面图(b)

  把上述带诱导锥的球体加热到900℃,然后放到液体介质中冷却。诱导锥的直径很小,首先被冷却下来。锥体尖端首先出现超前扩展点。然后,交界线向锥体与球体的连接部扩展,一直抵达锥体的底部。

  与此同时,在锥体与球体的接触部位,孔隙中很快就充满了介质的蒸汽。这些蒸汽与球体表面蒸汽膜中的蒸汽是相互连通的。间隙使其中的蒸汽能稳定存在。而这些蒸汽对交界线的穿过有阻挡作用。其结果,拧上去的诱导锥就起不到诱导作用。

  根据以上的道理,我们推测:如果把螺丝之间的孔隙换成紧挨在一起的两光滑平直表面之间的间隙,当紧贴的部分的宽度达到一定值后,它们之间的间隙层仍然能起到阻止交界线扩展的作用。我们把专用于阻止交界线扩展的这类物体称为“隔离堤”。隔离堤可以放在平面上,也可以放在工件上两相交部分之间,如图2所示。考虑到孔隙中空气(或者说介质蒸汽)是连续相,为便于讨论隔离堤的作用,从本图开始,把相接触的固体表面之间的间隙,简化并夸大成直观的缝隙。

  

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  a)同一面上的隔离堤 b)相交面间的隔离堤

  图2 放置在平面上和两个相交面之间的隔离堤

  不同形式的隔离堤有不同的用途。同一面上的隔离堤主要用来阻挡交界线在面上的扩展。交角处的隔离堤则用来阻止交界线从工件上的一个组成部分向另一组成部分扩展。

  要得到阻止交界线扩展的效果,对隔离堤与试样表面之间的间隙的宽度应当有一定的要求。我们推测,这个高度应当小于蒸汽膜的厚度。这方面的研究结果将在后续的文章中介绍。

  二 隔离堤法的实验验证

  为证明上述两类隔离堤有防止交界线扩展的作用,安排了以下6个试验。

  2.1 试样、冷却介质和试验用设备

  试样:采用0Cr25Ni20耐热钢加工成图3所示的几个试样,包括:

  第一个试样的顶部是一个直径50mm的圆平面。该圆平面的中心有一个直径5mm、高15mm的小圆柱体。小圆柱体以下的部分是实心的,如图3a)所示。本文简称为“实心试样”。小圆柱及其下面的直径50mm的圆形平面,是本试验的研究观测对象。本文也把该圆平面简称为“观测面”。

  第二个试样简称为空心试样,如图3b)所示。空心试样是在上述实心试样的基础上,从底部加工出一个直径20mm的孔。孔的深度正好使观测面中心部以下的厚度降低到7mm。用这样的试样,在不加隔离堤的情况下,能够在观测面上同时出现从小圆柱底部向外扩展的交界线与从观测面边缘向中心部扩展的交界线。

  小圆柱部分是上述试样上厚度最小的部分,它总是最早出现超前扩展点。

  第三种试样是作为隔离堤的两个圆环状试样,如图3c)所示。它们也用同种耐热钢加工而成。其中小圆环的内径5.01mm、外径10mm、高度5mm,本文简称为“小环”。而把内径15mm、外径20mm、高度5mm的隔离堤简称为“大环”。

  在本文的试验中,大环将用做平面用隔离堤;而小环将用做相交面间的隔离堤。

  

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  a) 实心试样 b)空心试块截面图 c) 用作隔离堤的大环和小环

  图3 实心试块a)、空心试样b)和用做隔离堤的大环和小环c)

  试验用冷却介质:

  以无色透明的低粘度基础油作为试验用液态冷却介质。试验用油装在方形的玻璃缸中。放入试样前的油温定为30℃。试样在小型箱式炉中加热。用普通摄像机记录试样的冷却过程。录象速度为每秒25张。

  考虑到试样上部是排出气泡最多的部位,为避免排出气泡干扰图像的清晰度,试样被倾斜放置。圆平面与水平面大约成700角。大环的附加方式是挂在小圆柱底部,环的底面则放在观测面上。倾斜放置试样的另一个好处是,可以利用大环的自重,保证它始终贴在观测平面上。小环则是套在小圆柱底部,并且使小环底面与圆平面紧挨在一起。图4是在液态介质中冷却时,表示空心试样加大环的放置方式的照片。

  

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  图4 空心试样挂上大环后在油中冷却时的放置方式

  2.2 试验内容与试验结果描述

  第一个试验:实心试样

  试验内容:观测实心试样不加隔离堤时的交界线移动情况。

  实验方法:先将图3中的大试样加热到900℃,然后迅速转移到淬火槽中冷却。

  试验过程描述: 图5(a)记录了小圆柱上几个时刻的交界线扩展位置。我们把汇集了交界线扩展情况的示意图简称为交界线扩展图。图5(b)观测面上的交界线扩展图。本文以试样浸入冷却介质的时刻作为计算时间(秒)的起点。

  试验结果与分析:

  参看图5(a),小圆柱冷得快,入液约3秒钟,其顶部边缘就出现了超前扩展点。其后,交界线向底部移动,到6.40秒,交界线扩展到小圆柱底部。由于周围平面部分的厚度很大,当时的表面温度还远高于其T0温度。此时,使三个表面张力的关系趋于平衡关系的动力,可能使交界线前沿伸入到表面温度高于T0的区域。而超过T0的高温会在瞬间把延伸过来的薄薄的液层汽化,使交界线退回T0等温线以内。这样的延伸和退缩将反复进行。其结果交界线的前沿就在这一动态过程中“停留”在小圆柱底部。

  

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  a) 小圆柱的交界线扩展图 b) 观测面上的交界线扩展图

  图5 实心试样单独冷却时的交界线扩展图

  因为是实心试样,其边缘部分的有效厚度最小。越向中心部分有效厚度越大。小圆柱的底部有效厚度则最大。一般说,这样的试样上容易从圆平面的边缘产生超前扩展点。随后,交界线再从边缘向中心部扩展。交界线能扩展到什么位置,决定于该部位的表面温度,以及交界线的移动速度。表面温度降低到T0温度以下,且交界线又移动到了那个部位的边缘,交界线就能扩展到该部位。对于有效厚度逐渐变化的试样,或者试样上有效厚度逐渐变化的部分,在某时刻表面温度正好达到T0的部位连成的线,称为该时刻的“表面T0等温线”。在理想的均匀冷却条件下,圆球试样的表面,可能成为T0等温面。但是,在实际试样上,等效厚度表面上不同部位受到的冷却情况总有一些差异,它们不会同时达到T0温度,而是在一段不长的时间范围内先后达到T0温度。因此,实际试样的等效厚度表面也会出现一条或者多条T0等温线,而不可能成为T0等温面。冷却进程中,T0等温线始终是移动中的交界线不可逾越的极限。实际工件的形状大小各不相同,T0等温线的分布与移动情况也会各有特点。

  试验中,在观测面的边缘产生超前扩展点之前,交界线已经从大圆柱的下方扩展了过来。也就是说,本试验中观测面靠交界线借用来进入中间阶段。图5b)上记录的最早一条交界线出现在35.28秒。此刻,早已到达小圆柱底部的交界线仍然停留在那里。这说明小圆柱周围的表面温度还没有降低到T0以下。交界线继续向中心部推进,到42.88秒时,最终抵达小圆柱底部,从而完成了由边缘向中心的扩展路程。等待在小圆柱底部的交界线与从周围扩展过来的交界线相会合,并同时消失。也可以说,是在交界线抵达的同时,小圆柱底部周围的表面温度刚好降低到了T0以下。在整个冷却过程中,小圆柱始终没有起到诱导作用。在观测面上,交界线的扩展过程总共花费了约8秒钟。

  第二个试验:实心试样加大环

  试验内容:在上述实心试验的小圆柱上挂上图3(b)所示的大环。以这样的组合体,作为我们的试样。本试验的目的,是验证大环对从边缘向中心扩展的交界线的阻挡作用。

  试验方法:先把上述组合试样放到炉内加热到900℃,适当保温后,在始终保持观测面向上状态下,转移到冷却油中冷却。其他条件和试验内容与第一个试验相同。

  对试验结果的描绘:从摄像结果,绘制成图6所示的两个交界线扩展图。其中,图6(a)是交界线在大环以外的观测面上的扩展图。从试样入液算起,30.08秒之前,从侧面扩展上来的交界线出现在观测面的右上边缘。这一交界线继续向左扩展。刚过35秒,从左侧边缘上来的交界线也扩展到了观测面上。然后,左右两边的交界线同时向中间部分合围。37.40秒之前,交界线已经从下方抵达隔离堤的大环之外。但是,该交界线没能穿过只有2.5mm厚的隔离堤,而只沿着大环外沿向上扩展。到39.84秒时,交界线完成了大环以外圆平面上的扩展历程。

  

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  a) 实心大环外的交界线扩展图 b) 实心大环内的交界线扩展图

  图6 实心试样加大环的交界线扩展过程

  从图5 已知,观测面上最后冷却到T0温度的,是小圆柱的底部。由此可以推知,是观测面上位于大环下方部分的表面温度先降低到T0以下,而小圆柱底部后降低到T0温度。再从图6(b)看观测面上大环以内部分的冷却过程。到40.16秒,停留在小圆柱底部的交界线开始向圆平面扩展。约用了2秒钟的时间,于42.12秒完成了大环以内的扩展过程。在大环下端,交界线到达大环以外的时间为37.40秒。环内是表面温度高的小圆柱底部先进入沸腾冷却阶段。随后交界线向环内表面温度更低的下方移动。仅仅一堤之隔,因为隔离堤的阻挡,在大环下端部的圆平面上,内外部分进入沸腾冷却期的时间竟然相差了4.72秒。这一段时间,大约是T0等温线从环内下端推进到小圆柱的底部所需的时间,与交界线从小圆柱底扩展到环内下端部所需时间的相加值。

  第三个试验:空心试样

  试验内容:观测空心试样不加隔离堤时的交界线移动情况。

  试验方法:将空心试样加热到900℃,适当保温后,采用与第一个试验相同的方式冷却,并摄像记录交界线的移动过程。

  对试验结果的描述:图7汇集了空心试样上的交界线扩展过程。观测面上,于26.84秒开始借用了早已等待在小圆柱底部的交界线,开始了在该面上的交界线扩展过程。约在33.40秒,从左右边缘爬上来的交界线几乎同时出现在我们的眼前。到33.44秒时,观测面上同时存在三条交界线。它们是由小圆柱诱导出的圆形交界线,从左边爬上来的上下走向的左交界线,以及从右边爬上来的,也是上下走向的右交界线。圆形交界线正从中心放射性地向外扩展。而左、右两条交界线则沿水平方向向中心推进。它们之间是蒸汽膜笼罩区。交界线相会合的过程,也就是它们之间的蒸汽膜区的消失过程。没有了蒸汽膜区,也就没有了交界线。因此,交界线的会合过程,也就是交界线和蒸汽膜区同时消失的过程。到35.40秒,这三条交界线会通过相会和相连接,形成了图中所示的M形曲线。M形曲线以下部分为蒸汽膜区。交界线继续向下扩展,于37.32秒完成了整个观测面的交界线扩展过程。观测面上的交界线扩展过程,总共花费了10.48秒。

  

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  图7 空心试样上的交界线扩展图

  第4个试验:空心试样加大环

  试验内容:观测大环阻止交界线从环内向环外扩展的作用

  试验方法:与第2 个试验相同

  对试验结果的描述:图8(a)是观测面上大环以内部分的交界线扩展图。图8(b)是大环以外部分的交界线扩展图。从图8(a)可以看出,大环以内早已等待在小圆柱底端的交界线于30.28秒之前开始向平面上扩展,于32.00秒完成了大环以内的扩展历程。而后,大环阻止了交界线向环外扩展。在大环以外没能自己产生超前扩展点,于32.52秒前从试样侧面借用过来了交界线,并向内部扩展。于37.76秒完成了在大环以外的扩展历程。

  

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  a) 大环以内的交界线扩展图 b) 大环以外的交界线扩展图

  图8 空心试样加大环的试验结果

  第5个试验:空心试样加小环

  试验内容:观测小环在空心试样上阻挡交界线扩展的作用

  试验方法:将小环套在小圆柱上,使其底部放在观测面上。然后,采用与上一试验相同的方式进行试验和摄像。

  对试验结果的描述:图9汇集了观测面上交界线的扩展过程。可以看出,由于小环阻止了小圆柱底部的交界线向周围平面的扩展,观测面只能从其底柱侧面借用交界线。从侧面爬上来的交界线,大约在32.00秒出现在观测面上,并向圆平面中心部扩展,于37.48秒完成了扩展历程。在整个交界线扩展过程中,等待在小圆柱底部的交界线完全被禁锢在小环以内。由于小环的隔离作用,作为同一试块相邻部分的小圆柱和观测面的冷却过程几乎是互不相干的。

  

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  图9 空心试样加小环的交界线扩展过程

  第6个试验;空心试样加热之后加室温大环

  试样内容:观测冷的大环对交界线扩展的阻止作用

  试验方法:其余试验和观测方式与前面的试验相同。

  对试验结果的描述:图10a)汇集了大环内的交界线扩展过程。图10b)汇集了观测面上大环以外部分的交界线展过程。大环以内靠交界线借用,于34.08秒开始了交界线的扩展,并于36.24秒完成了扩展历程。随后,交界线并没有扩展到大环以外。在大环以外,观测面左侧于35.48秒前借用了底座侧面爬上来的交界线。而其右上侧则于36.24秒前借用了从右侧底座爬上来的交界线。左右两面的交界线同时向中间推进,于40.00秒完成了大环以外的交界线扩展历程。本试验表明,在试样加热之后,再附加上冷的隔离堤,同样具有阻止交界线扩展的作用。

  

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  a) 加冷大环内 b) 冷大环外

  图10 空心试样加冷大环时的交界线扩展过程

  2.3 由上述验证试验得出的三个结论

  结论一:不管交界线企图从环外进到环内,还是企图从环内跑到环外,大小隔离堤(环)都有阻止交界线穿过的作用。

  结论二:试验中采用的隔离堤都没有诱导超前扩展点的作用。

  结论三:采用与试样一起加热过的隔离堤,和只加热试样,而后再放置未经加热的冷隔离堤,上述两个结论都同样正确。

  三 隔离堤的作用机理分析

  在此讨论平面用隔离堤和相交面间的隔离堤的作用机理。

  3.1 平面用隔离堤的作用机理

  图11为平面用隔离堤的作用机理示意图。图a) 表示同一平面上左右两边都被蒸汽膜笼罩时隔离堤周边的情形。因为隔离堤本身小而薄,它被冷却下来后,在隔离堤与底部平面的接触部位,会形成气相、液相和固相的三相交界线。在垂直于该交界线的截面上,可以看到如图中A所指示的三个表面张力达到平衡的接触角。在该交界线的下方是隔离堤与观测面间的间隙。该间隙内充满了难以排出的介质蒸汽。这使该间隙成为一层特殊的蒸汽膜。这样的蒸汽膜是交界线扩展时不可逾越的障碍。

  

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  图11 平面用隔离堤的作用机理示意图

  由于充满蒸汽的间隙把左右两边的蒸汽膜连接在一起,可以认为,放置隔离堤后,平面上存在着的仍然是连贯的蒸汽膜。

  当隔离堤的一边,比如图中的右边先出现超前扩展点,而后交界线从右向左扩展过来时,如图b)所示,在扩展中的交界线上形成的三个表面张力之间的交角并没有达到平衡时的角度关系。此时,交界线会朝着使三相交角趋于平衡的方向运动。交界线运动的目的正是使该交角趋于平衡。或者说,未达到平衡的交角处于自由能较高的状态,而达到平衡的交角则处于自由能最低的状态。二者之间的自由能差,就是使交界线移动的动力。

  在右边的交界线向左移动的过程中,隔离堤右侧处于等待中的交界线,会继续稳定在原处,如图b)所示。当交界线抵达隔离堤的右侧时,蒸汽膜会退缩到隔离堤与平面之间的缝隙口的边缘内。这一过程很像逐渐缩小的气球,如图c) 所示。缝隙中散热条件较外面差,而且缝隙内还要向外排放蒸汽泡来散热。由于是两个固体表面之间形成的蒸汽膜,其厚度不会因扰动而发生波动。因此,同外面的蒸汽膜相比,缝隙中的蒸汽膜更加稳定。此时隔离堤与观测面的温度都已降低到T0温度以下,蒸汽膜一旦缩进缝隙中,交界线就会形成平衡的接触角关系,并停止移动。在随后的冷却过程中,间隙内的蒸汽温度降低,间隙口的气泡会稍向间隙内退缩。由间隙的高度和可能的降温范围,根据蒸汽的热膨胀特性,可以确定合理的隔离堤宽度。只有间隙中观测面的表面温度降低到了介质的沸点附近,缝隙中的蒸汽才可能被液态介质全部吸收。而后,周围的液态介质才可能进入缝隙中。这就是隔离堤阻止交界线穿过的机理。

  3.2 相交面间隔离堤的作用机理分析

  图12是相交面间隔离堤的作用机理示意图。在讨论了平面隔离堤的作用机理之后,就容易理解相交面之间的隔离堤的作用机理了。和图11不同的是,原来平直的间隙相交成了一定角度。而间隙的作用和间隙开口处的状况与图11时则是相同的。本文就不再赘述了。

  

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  图12 相交面间隔离堤的作用机理

  四 隔离堤法的应用前景

  在精细淬火冷却技术中,隔离堤应当有以下三方面的用途。

  1 把工件上不同厚度部分独立出来冷却

  在图9所示的试验中已经看到,隔离堤的应用可以阻止交界线的借用,从而使工件上不同厚度、或者不同形状结构的部分分别独立地冷却。我们预测,在众多的淬火工件中,这一技术将可能用来解决某些工件特定的淬火硬度要求、防止工件淬裂,以及控制工件的淬火变形等问题。

  2 用于减慢工件上局部区域的冷却速度

  四阶段理论认为,表面温度低于T0后,要引起了超前扩展点需要蒸汽膜的厚度波动[2]。而实际的蒸汽膜厚度波动,是多种扰动因素共同作用的结果。众多扰动因素的作用,既可能相互叠加而使合成扰动增大,也可能相互抵销而使合成扰动减小。而它们究竟是叠加还是抵销,却很难预测。由此推测:工件表面上的蒸汽膜区域越大,引起蒸汽膜厚度波动的扰动因素会越多。而扰动起因越多,蒸汽膜厚度波动可能的最大值就越大。相反,蒸汽膜区域越小,引起蒸汽膜波动的扰动因素也就越少,蒸汽膜厚度波动可能的最大值就越小。

  隔离堤能把工件表面蒸汽膜区分割成多个小的区域。分割出的小区域的蒸汽膜厚度波动值也会更小。如果让各个小区域自发地产生超前扩展点,分割区内的T1温度将明显低于不分割时的T1温度。如果不诱导超前扩展点[3],分割的结果,同一表面(指分割前的大区域)上的被分割部分获得的冷却速度必然减小。用这种办法,可以人为地减小某些区域的冷却速度。

  3 用于指定区域的快冷

  在分割出的小区内人为地诱导出超前扩展点,可以提高其T1温度。加上小区域内交界线的扩展路程短,更可以大大缩小小区域的中间阶段。其结果,该小区获得的冷却效果就必然大大加快。用这样的方法,可以使工件上具有相同等效厚度部分中的特定小区域获得比周围部分高得多的淬火硬度。

  4 将以上3种措施与超前扩展点的诱导技术适当组合,可用于不同工件的精细淬火冷却中。

  后续的文章为“蒸汽膜厚度的测量与研究”。

  参考文献

  [1]张克俭,王水,郝学志.交界线借用挑战有效厚度观念[J],热处理技术与装备,2007,28(3):23-28.

  [2]张克俭,王水,郝学志.液体介质中淬火冷却的四阶段理论[J],热处理技术与装备,2006,27(6):14-25.

  [3]张克俭,王水,郝学志.超前扩展点的诱导[J],热处理技术与装备,2007,28(4):14-18.



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