Цвета побежалости: изменение цвета при нагреве, интерфенции цвета

Что такое цвета побежалости

Цвета побежалости — это окисные пленки на поверхности железных сплавов различной толщины и плотности. Они образуются без участия молекул воды при нагревании до определенных температур. Самое простое представление о тонких пленках можно получить на примере мыльных пузырей или пленках нефтепродуктов на поверхности воды. Для железа цвета побежалости образуются при нагревании, и толщина пленки соизмерима с размерами молекул.

Это явление с физической точки зрения объясняется теорией «тонких пленок» и обусловлено оптической интерференцией окисных пленок в зависимости от своей толщины.

От чего зависит цвет побежалости

Многие люди, которые нагревали металл до высокой температуры, могли наблюдать изменение цвета поверхности. При этом он может быть разных оттенков и захватывать не весь металлический предмет.

Места, изменяющие окраску, называют побежалостями. Людям, которые занимаются обработкой металлов, необходимо знать, что это такое и как оно проявляется при различных видах нагревания.

Также желательно различать цвета побежалости.

Происхождение

В природе цвета побежалости образуются на поверхности многих минералов, включая пирит и халькопирит. Из-за окисления они покрываются тонкой оксидной пленкой, преломляющий солнечный свет. В результате интерференции поверхности металла окрашивается в разные цвета. Яркость побежалости зависит от толщины оксидной пленки и длины волны. Наиболее яркие цвета побежалости образуются на медных минералах. Также цвет зависит от качественного состава металла. Если в элементе присутствует большое количество ионов металлов, то он окрашивается в синие цвета. При наличии хромофоров минералы становятся красными.

Также цвета побежалости могут образовывать в естественных условиях на поверхностях старых стекол или монет. Изменение окраса может быть обусловлено длительным контактом этих материалов с землей. Если на них присутствует жировая пленка, то они окрашиваются в радужный цвет. Побежалость скрывает настоящий цвет металла. Поэтому нельзя определять его истинный окрас на свежем изломе. Рекомендуется определять цвет при рассмотрении оксидной пленки.

Искусственно цвета побежалости образуются на поверхности металлических заготовок при сварке или закалке. Они появляются при нагревании металлов до критических температур без участия молекул воды или иных жидкостей. Во время нагревания происходит процесс образования оксидной пленки. Ее толщина составляет несколько молекул и уменьшается по мере нагрева. Это обусловлено явлением диффузии – процессом проникновения мельчайших частиц одного химического элемента в другой. В данном случае происходит взаимодействие атомов металла и кислорода. На углеродистых сталях пленки из оксидов возникают быстрее, чем на легированных.

Процедура покрытия стали и железа слоем оксидной пленки называется воронением. После проведения этой процедуры повышается коррозийная стойкость изделия. Обработанные детали не покрываются ржавчиной. Процедура воронения позволяет придать изделию окрас, даже если металлическая поверхность по условиям эксплуатации не подлежит покраске. Во время воронения заготовку протирают минеральным маслом и нагревают на железном листе. После выгорания масляной жидкости на заготовке появляются цвета побежалости. Для нужного окраса необходимо нагреть деталь до соответствующей температуры. Получившийся слой окисла является влагоустойчивым и не подвергается воздействию воздуха.

На скорость образования окисных пленок влияют следующие факторы:

1. Структура поверхности: закаленные детали окисляются с большей скоростью.
2. Загрязненность изделия: поверхности, покрытые маслом, при длительном нагреве обугливаются, что приводит к возникновению сажи. По этой причине образуется неровная и тонкая оксидная пленка.
3. Наличие шероховатостей: если нагревается заготовка с шершавой поверхностью, то оксидная пленка получается плотной. Если перед процедурой термообработки отполировать деталь, то образуется тонкая пленка из оксидов.
4. Оборудование для нагрева: если при термообработке применяются специальные нагревательные печи, способные поддерживать устойчивую температуру, то окисная пленка будет плотной. В бытовых условиях можно также использовать духовые шкафы, газовые горелки или металлургические печи (горны).

Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.

Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:

• время нагрева: промежуток времени, в течение которого металлическая деталь нагревается до температуры окружающей среды при отсутствии теплоотдачи.
• наличие различных примесей в составе металла;
• особенности освещения в помещении, где проводилась сварка или закалка заготовок;
• скорость разогревания: изменение температуры изделия в единицу времени при его нагревании.

В современной промышленности контроль температуры производится при помощи специальных приборов – пирометров. Они оснащены специальными датчиками, определяются степень нагрева заготовки при помощи лазера.

Цвета побежалости используются при изготовлении рабочих инструментов, лазерной маркировке и внешней обработке изделий из железа, меди, алюминия и латуни. Если требуется изготовить инструментарии с высокой плотностью (бритвенные лезвия, предметы для проведения хирургических операций, режущие кромки резцов и грабштихели), то побежалость должна быть яркого цвета: красного, оранжевого или желтого. До пурпурных и зеленых тонов нагревают инструменты, применяющихся в деревообрабатывающем секторе. Для достижения упругости при изготовлении пил, ножей, вил и пружин необходимо нагреть заготовки до появления синих или черных цветов.

В процессе нагревания металлическая заготовка становится гибкой, что позволяет мастеру придать ей необходимую форму. После данного процесса изделие закаляется при определенных температурах. Согласно рекомендациям специалистов, оптимальной температурой для закалки металлов является 700–800 °C. В этом случае изделие окрашивается в разные оттенки красного или розового цветов. При превышении этих значений на 300 °C заготовка становится оранжевой или желтой. При больших температурах происходит перекал, что негативно сказывается на прочности изделия.

Закалка улучшает следующие параметры металлической поверхности:

1. Твердость: этот показатель является номинальным. Он прописан в шкале Роквелла и измеряется в HRC. Твердость определяет степень сопротивляемости металла к механическим повреждениям. На мягких изделиях при длительном соприкосновении с иными поверхностями остаются следы, что ухудшает их режущие свойства. Твердость ножей европейского образца составляет 60 HRC, азиатских – 70 HRC.
2. Упругость: данный параметр определяет степень деформации металла при изгибах и ударах. Если сталь закалена, при изгибе на 10–30° она вернется в исходное положение. При перегреве снижается упругость поверхности, что приводит к поломке инструментов.
3. Износостойкость: данный критерий показывает общую стойкость металла (сопротивление абразивному износу, стойкость к большим нагрузкам). При правильной закалке изделие сможет стабильно функционировать в течение более длительного срока.

После закалки заготовка приобретает высокую твердость. Для восстановления ее прочности необходимо провести процедуру отпуска, представляющую собой повторную термообработку детали. Металлическое изделие нагревается до более низких температур и охлаждается. Между закалкой и охлаждением также осуществляется полное остывание металлической поверхности при помощи его погружения в раствор соли или в масло. При выборе отпуска необходимо учитывать следующие особенности:

1. Для изделий, подвергающимся деформациям или ударным нагрузкам, нужно использовать высокотемпературный отпуск: до 700 °C.
2. Для легких клинков используется среднетемпературный отпуск: до 500 °C.
3. Для обеспечения оптимальной твердости применяется низкотемпературный отпуск: до 250 °C. Но в этом случае изделие не сможет выдерживать высокие ударные нагрузки и будет легко деформироваться.

Температура цветов побежалости и каления

Во время отпуска возникают цвета каления. По ним можно определить, до какой температуры нагрелась заготовка. В отличие от побежалости, цвета каления меняются в процессе охлаждения металлической поверхности. Переход между цветами осуществляется в строгой последовательности, но с быстрой скоростью, поэтому мастер должен тщательно контролировать процесс термообработки.

Физика процесса

После начала нагревания стальной поверхности появляются побежалости, которые быстро изменяют окрас, начиная от желтого и заканчивая серым. В зависимости от температуры (более 500 градусов) появляются первые тона каления, заметные только при полной темноте.

Если температура превышает 650 градусов, металл раскаляется до темно-красного оттенка. При высокой температуре окрас оксидной пленки может изменяться с вишневого до белого (при 1100–1200 градусах). При дальнейшем нагревании белый будет становиться только ярче, но не изменится. Как говорилось выше, окрас нагрева поверхности металла не является точным индикатором температуры.

Оптические эффекты

Цветовой тон напрямую зависит от толщины оксидной пленки. Когда она увеличивается, гасятся цвета с коротким диапазоном волны. При увеличении градуса нагрева нарастает толщина пленки. Таким образом начинают исчезать определенные оттенки оксидов. Сначала пропадает фиолетовый, затем желтый, после них исчезает зеленый, красный. Это так называемая интерференция света.

Создание искусственных цветов побежалости

В сфере обработки металлов активно используется прием воронения. При этом технология покрытия сплавов окисными пленками известна и активно используется уже не одну тысячу лет.

Вороненный металл устойчив к ржавчине, более прочен перед механическими нагрузками и имеет красивый окрас даже без дополнительных покрытий и красок.

Воронение выполняется следующим образом:

• Заготовку обмакивают или протирают минеральным маслом;
• Нагревают на металлическом листе до соответствующей температуры (для разных металлов и сплавов она может отличаться);
• После могут выполнить закалку в холодном масле (чтоб избежать «отпуска металла»).

Получаемый слой окисла на поверхности металлического изделия полностью устойчив к воздействию воды, а также обладает высокой прочностью к механическим воздействиям.

Окисные пленки образуются с различной скоростью и на это влияют следующие факторы:

1. Закаленность детали (наличие закалки ускоряет появление побежалости);
2. Наличие загрязнений (при нагреве загрязнения обугливаются и усложняют образование равномерного слоя окисной пленки);
3. Шероховатости. Заготовка, имеющая неровности получает плотную пленку и как результат красивого переливания цветов можно не увидеть. Полированная же деталь быстро образует на поверхностях равномерный тонкий слой окислов;
4. Технологии нагрева. В зависимости от оборудования, которое применяется для нагрева деталей, с разной скоростью и разной толщины образуются окисные пленки. Для нагрева деталей лучше всего использовать оборудование, позволяющее контролировать и поддерживать нужную температуру стабильно.

Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.

Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:

• время нагрева: промежуток времени, в течение которого металлическая деталь нагревается до температуры окружающей среды при отсутствии теплоотдачи.
• наличие различных примесей в составе металла;
• особенности освещения в помещении, где проводилась сварка или закалка заготовок;
• скорость разогревания: изменение температуры изделия в единицу времени при его нагревании.

Среди современных приборов существуют пирометров, которые обеспечивают достаточно точный контроль температуры. Они работают на основе анализа лазерных лучей. Приборы оснащены специальными датчиками, анализирующими отраженные лазерные лучи и отображают температуру металла, которой соответствуют полученные характеристики излучений.

Технологии с использованием цветов побежалости активно применяют в производстве рабочих инструментов и оборудования. Особенно распространено использование этого приема при работе с медью, железом, алюминием и латуни.

Закалка улучшает следующие параметры металлической поверхности:

Цвет побежалости металла и его температура или температура цветов побежалости металла

Как уже стало ясно из описанного выше материала, температура и цвет металла изменяется все время нагрева заготовки. Важно отметить, что температура побежалости металла отличается для каждого отдельно взятого сплава и вида металла. Поэтому существует большое количество таблиц и списков соотношения цвета и температуры. Ниже приведены таблицы цветом побежалости металла для разные сплавов.

Применение

Цвета побежалости возникают чаще всего при окислении, в результате термической обработки металлов. Обычно, при быстром нагреве, они столь же быстро сменяют друг друга, в типичной последовательности: светло-соломенный, золотистый, пурпурный, фиолетовый, синий, и затем, по мере роста толщины плёнки, вновь проявляются, но в несколько приглушённом виде: коричневато-жёлтый, красный…

Цвет побежалости (а также цвета каления) раньше, до появления пирометров, широко использовали в качестве индикатора температуры нагрева железа и стали при термообработке. По цветам побежалости также судили о температуре нагрева стальной стружки, и, следовательно, резца при операциях точения, сверления, резания.

Для углеродистой стали характерны следующие переходы цвета: соломенный (220 °C), коричневый (240 °C), пурпурный (260 °C), синий (300 °C), светло-серый (330—350 °С).

Цвета побежалости — не очень точный индикатор. На них влияет скорость подъёма температуры, состав газовой среды, время выдержки стали при данной температуре, а также характер освещения и др. факторы.

На легированных сталях цвета побежалости обычно появляются при более высоких температурах, так как нередко легирование повышает стойкость стали к окислению на воздухе.

Цвета побежалости применяются при декоративной отделке стальных изделий, а также при их лазерной маркировке.

Цвета побежалости в природе

На поверхности некоторых минералов (пирит и др.) в результате появления тонкого слоя оксидов нередко наблюдаются интерференционные цвета, аналогичные цветам побежалости (см. Цвет минералов).

Те же цвета иногда образуются на старых образцах стекла, особенно на тех, что долго пролежали в земле; на старинных монетах.

Создание искусственных цветов побежалости

В сфере обработки металлов активно используется прием воронения. При этом технология покрытия сплавов окисными пленками известна и активно используется уже не одну тысячу лет.

Вороненный металл устойчив к ржавчине, более прочен перед механическими нагрузками и имеет красивый окрас даже без дополнительных покрытий и красок.

Воронение выполняется следующим образом:

• Заготовку обмакивают или протирают минеральным маслом;
• Нагревают на металлическом листе до соответствующей температуры (для разных металлов и сплавов она может отличаться);
• После могут выполнить закалку в холодном масле (чтоб избежать «отпуска металла»).

Получаемый слой окисла на поверхности металлического изделия полностью устойчив к воздействию воды, а также обладает высокой прочностью к механическим воздействиям.

Окисные пленки образуются с различной скоростью и на это влияют следующие факторы:

1. Закаленность детали (наличие закалки ускоряет появление побежалости);
2. Наличие загрязнений (при нагреве загрязнения обугливаются и усложняют образование равномерного слоя окисной пленки);
3. Шероховатости. Заготовка, имеющая неровности получает плотную пленку и как результат красивого переливания цветов можно не увидеть. Полированная же деталь быстро образует на поверхностях равномерный тонкий слой окислов;
4. Технологии нагрева. В зависимости от оборудования, которое применяется для нагрева деталей, с разной скоростью и разной толщины образуются окисные пленки. Для нагрева деталей лучше всего использовать оборудование, позволяющее контролировать и поддерживать нужную температуру стабильно.

Тонкие оксидные пленки поглощают световые волны с меньшей длиной волны, но отражают – с большей. Цвет металлических деталей меняется в зависимости от температуры и плотности оксидной пленки. Чем толще оксидная пленка, тем светлее окраска. Синий или фиолетовый цвет получается, когда из спектра отражаются наиболее длинные волны. Если пленка из оксидов отражает волны с малой длиной волны, то металлическая поверхность становится желтой. Светлые цвета соответствуют высокой температуре нагрева, светлые – более низкой. По этой причине многие мастер часто определяют при помощи цветов побежалости степень закалки изделий, стальной стружки и режущих инструментов, применяемых во время проведения токарных работ.

Несмотря на эти факторы, при помощи цветов побежалости нельзя точно определить температуру металла, потому что на величину этого показателя оказывают влияние следующие факторы:

• время нагрева: промежуток времени, в течение которого металлическая деталь нагревается до температуры окружающей среды при отсутствии теплоотдачи.
• наличие различных примесей в составе металла;
• особенности освещения в помещении, где проводилась сварка или закалка заготовок;
• скорость разогревания: изменение температуры изделия в единицу времени при его нагревании.

Цвета каления — это… Что такое Цвета каления?

Цвета каления

— это цвета свечения металла, раскалённого до высокой температуры. Спектр теплового излучения зависит от температуры, поэтому наблюдая цвета каления можно достаточно быстро, хоть и без высокой точности, определить температуру металла, что часто применяется при термообработке и ковке. Более того, до изобретения бесконтактных термометров это было единственным способом судить о температуре металла. Сокращённые названия цветов каления («красное каление», «белое каление») часто используются металлургами вместо указания температуры.

Рабочая температура нержавеющей стали, температура применения жаропрочных сталей и сплавов

Представлены таблицы значений максимальной рабочей температуры стали (нержавеющей, жаропрочной и жаростойкой) распространенных марок при различных сроках эксплуатации. Указана также температура, при которой сталь начинает интенсивно окисляться на воздухе.

Таблицы позволяют подобрать необходимую марку нержавеющей стали или сплава на железоникелевой основе под определенные условия эксплуатации и заданный срок службы.

В первой таблице приведена рабочая температура (максимальная температура применения) нержавеющих сталей и сплавов на железоникелевой и никелевой основах, предназначенных для работы в окислительной среде от 50 до 100 тысяч часов.

По данным таблицы видно, что при сверхдлительной эксплуатации максимальная рабочая температура рассмотренных марок стали не превышает 850°С (нержавеющая сталь 05ХН32Т), а «запас» до температуры интенсивного окалинообразования составляет от 200 до 500 градусов.

Температура применения стали при сверхдлительной эксплуатации (до 100 тыс. часов)

Марка стали или сплава	Максимальная температура применения, °С	Температура начала интенсивного окалинообразования на воздухе, °С
05ХН32Т (ЭП670)	850	1000
08Х15Н24В4ТР (ЭП164)	700	900
08Х16Н13М2Б (ЭИ680)	600	850
09X16Н4Б (ЭП56)	650	850
09Х14Н19В2БР (ЭИ695Р)	700	850
09Х14Н19В2БР1 (ЭИ726)	700	850
09Х16Н15М3Б (ЭИ847)	350	850
12X13	550	750
12Х18Н10Т	600	850
12Х18Н12Т	600	850
12Х18Н9Т	600	850
12ХН35ВТ (ЭИ612)	650	850…900
13Х14Н3В2ФР (ЭИ736)	550	750
15Х11МФ	580	750
16X11Н2В2МФ (ЭИ962А)	500	750
18Х11МНФБ (ЭП291)	600	750
18Х12ВМБФР (ЭИ993)	500	750
20Х12ВНМФ (ЭП428)	600	750
20Х13	500	750
31Х19Н9МВБТ (ЭИ572)	600	800
55Х20Г9АН4 (ЭП303)	600	750
ХН65ВМТЮ (ЭИ893)	800	1000
ХН70ВМЮТ (ЭИ765)	750	1000
ХН80ТБЮ (ЭИ607)	700	1050

Во второй таблице представлена максимальная рабочая температура стали при длительной эксплуатации длительностью до 10 тысяч часов. По значениям температуры в таблице видно, что при менее длительном применении стали возможно увеличение ее рабочей температуры. При этом «запас» до температуры интенсивного окалинообразования уменьшается.

Например, максимальная рабочая температура нержавеющей стали 12Х18Н9Т при длительной эксплуатации на 200 градусов выше, чем при сверхдлительной. Эта сталь может применяться при температуре до 800°С в течении 10 тысяч часов.

Максимальная рабочая температура из приведенных в таблице марок соответствует стали 10ХН45Ю — она может использоваться при 1250…1300°С.

Температура применения стали при длительной эксплуатации (до 10 тыс. часов)

Марка стали или сплава	Максимальная температура применения, °С	Температура начала интенсивного окалинообразования на воздухе, °С
03X21Н32М3Б (ЧС33)	550…750	—
03X21Н32М3БУ (ЧС33У)	550…750	—
05Х12Н2М	550	—
07Х15Н30В5М2 (ЧС81)	850	—
08Х16Н11М3	600	—
08X18Н10	800	850
08Х18Н10Т (ЭИ914)	800	850
09X18Н9	550	—
10Х18Н9	550	—
10Х23Н18	1000	1050
10ХН45Ю (ЭП747)	1250…1300	—
11Х11Н2В2МФ (ЭИ962)	600	750
12Х18Н9	800	850
12Х18Н9Т	800	850
12Х18Н10Т	800	850
12Х18Н12Т	800	850
12Х25Н16Г7АР (ЭИ835)	1050	1100
12ХН38ВТ (ЭИ703)	1000	1050
13Х11Н2В2МФ (ЭИ961)	600	750
14Х17Н2 (ЭИ268)	400	800
15Х12ВНМФ (ЭИ802)	780	950
16X11Н2В2МФ (ЭИ962А)	600	750
20Х23Н13 (ЭИ319)	1000	1050
20Х23Н18 (ЭИ417)	1000	1050
20Х25Н20С2 (ЭИ283)	1050	1100
36Х18Н25С2	1000	1100
37Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481)	630	750
40Х9С2	650	850
40X10С2М (ЭИ107)	650	850
45Х14Н14В2М (ЭИ69)	650	850
45Х22Н4М3 (ЭП48)	850	950
ХН33КВЮ (ВЖ145, ЭК102)	1100	—
ХН45МВТЮБР (ВЖ105, ЭП718)	700	—
ХН54К15МБЮВТ (ВЖ175)	750	—
ХН55К15МБЮВТ (ЭК151)	750	—
ХН55МВЦ (ЧС57)	950	—
ХН55МВЦУ (ЧС57У)	950	—
ХН56К16МБВЮТ (ВЖ172)	900	—
ХН56КМЮБВТ (ЭК79)	750	—
ХН58МБЮ (ВЖ159, ЭК171)	1000	—
ХН59КВЮМБТ (ЭП975)	850	—
ХН60ВТ (ЭИ868, ВЖ98)	1000	1100
ХН60Ю (ЭИ559А)	1200	1250
ХН62БМКТЮ (ЭП742)	750	—
ХН62ВМЮТ (ЭП708)	900	—
ХН62МВКЮ (ЭИ867)	800	1080
ХН67МВТЮ (ЭП202)	800	1000
ХН68ВМТЮК (ЭП693)	950	—
ХН69МБЮТВР (ВЖ136, ЭК100)	650	—
ХН70ВМТЮ (ЭИ617)	850	1000
ХН70ВМТЮФ (ЭИ826)	850	1050
ХН70Ю (ЭИ652)	1100	1250
ХН73МБТЮ (ЭИ698)	700	1000
ХН75ВМЮ (ЭИ827)	800	1080
ХН75МБТЮ (ЭИ602)	1050	1100
ХН78Т (ЭИ435)	1100	1150

В третьей таблице указана максимальная рабочая температура нержавеющей стали при кратковременной эксплуатации (до 1000 часов). При таких сроках эксплуатации сталь и жаропрочные сплавы могут иметь рабочую температуру на 50…100 градусов выше, чем при длительной работе (до 10 тыс. часов).

Например, жаропрочный сплав ХН62МВКЮ при кратковременной эксплуатации может применяться при температурах до 900°С, а при длительной эксплуатации — только до 800°С.

Метод измерения температур по цветам побежалости и каления

Методом измерения температур по цветам побежалости и каления с давних времен успешно пользовались металлурги, кузнецы, термисты, а так же представители других профессий, включая станочников.

Для измерения температуры этим методом, используются таблицы, в которых собраны шаблоны цветов побежалости и каления с описанием их оттенков и указанием значения температур, приводящих к появлению каждого из них.

Имеющие постоянную практику мастеровые и специалисты, таблицами, обычно не пользуются. Поскольку все цветовые оттенки и значения температур, связанные с их проявлениями, они знают на память.

Когда же постоянной практики в этой области нет, полагаться на память, особенно на цветовую, пожалуй, не стоит. Путем визуального сравнения из той или иной таблицы, выбирается шаблон, цвет которого более похож на цвет контролируемой области объекта.

Акцентирую ваше внимание на том, что при сравнении цветов шаблона и объекта, ожидать их полного, до идентичности совпадения, не следует.

Достаточно именно похожести их цветовых оттенков. И тогда можно считать, что температура равномерно прогретого объекта, находится в диапазоне значений, указанных на цветовом шаблоне.

Часто на поверхности объекта проявляются сразу два смежных цвета. Не сложно догадаться, что температура этого объекта находится между средними значениями температур, указанными на обоих шаблонах. В сравнении с приборными измерениями, точность этого метода, конечно, меньшая.

И все же, во многих случаях применения, например, при выполнении не особо ответственной закалки или отпуска, точности цветового метода вполне хватает. Что же касается обработки резанием, когда по цветам побежалости на движущейся стружке контролируется расстояние режущей кромки, причем, в разных ее точках, замены этому старому методу, пожалуй, не найти.

Таблиц с цветами побежалости и каления в литературе и интернете опубликовано достаточно. Их интерпретации отличаются по форме и по содержанию, к сожалению, тоже. В отличие от большинства из них цвета, используемые в этом видео уроке шаблонов, выверены с помощью компьютера по реальным цветам каления и по цветам побежалости углеродистых сталей.

Указанные на шаблонах названия цветовых оттенков условные. А их точная идентификация осуществима по указанному ниже так называемому цветовому коду html.

По этому коду, введенному в поиск, цвет любого их шаблонов легко найти в интернете. Готовые таблицы с цветовыми шаблонами для загрузки в мобильное устройство или для печати, можно скачать с сайта проекта.

Возможные причины погрешностей при измерении температур Надо учитывать, что на цветовосприятие влияет общая освещенность помещения, а так же ее цвет, который может быть естественным, белым или желтоватым, исходящим от ламп накаливания. Это касается тех случаев, когда пытаются оценить цвета, полагаясь на память.

При измерении температур по цветам побежалости, надо понимать, что ими отражается температура именно на контролируемой поверхности. А это не всегда соответствует температуре всей массы нагретого предмета.

Если стоит задача нагреть предмет до определенной температуры, с контролем по цвету побежалости, его надо прогревать не через одну какую-то точку или поверхность, а равномерно, со всех сторон. Равномерность прогрева контролируется так же и по цветам каления.

Одинаковый цвет накала в разных точках какой-либо области объекта свидетельствует о ее равномерном прогреве. И наоборот. Отслаивающаяся от раскаленной основы окалина охлаждается и нагревается быстрее, чем массив основы, что вносит искажение в реальный цвет поверхности. Это надо учитывать.

Закалка и отпуск стали. Цвета каления и побежалости

Возможно, вам не раз приходилось слышать эти термины, когда речь шла о кованых ножах, да и вообще о сталях. Настало время разобраться, что же они означают.

Закалка, по своей сути – это нагрев готового изделия до определенной температуры с последующим охлаждением с определенной скоростью, а отпуск – это следующий за закалкой дополнительный нагрев до более низких температур с иных режимом охлаждения; каким именно, зависит от марки стали. Скорость регулируется т.н. «закалочной средой» – жидкостью, в которой клинок охлаждается с определенной скоростью: машинное масло, солевые растворы, поток воздуха с и т.п. Например, масло охлаждает со скоростью примерно в 6 раз меньшей, чем циркулирующая вода. Чтобы перейти к конкретным цифрам, нужно понять, зачем вообще нужны эти два процесса.

Визуальные признаки термических поражений на конструкциях из металлов и сплавов.

Деформации стальных конструкций наблюдаются почти на любом пожаре.

Известно, что нагрев стали

выше 300-350оС приводит к заметному повышению ее пластичности и сопровождается снижением прочности, у стали могут появиться заметные деформации,

при 500-600оС прочность углеродистой стали снижается вдвое, деформации нагруженных элементов стальных конструкций значительны по величине и 15-20 минутный нагрев может привести к их обрушению.

Температура 450-500 оС считается температурой потери несущей способности стальных изделий.

при 1000оС прочность стали снижается в 10 раз ,

Температура потери несущей способности конструкций из алюминиевых сплавов составляет 250 оС.

Что значит потеря несущей способности у металлоконструкции? В чем она проявляется? Конечно, конструкция не ломается; в первую очередь она гнется, деформируется. Эти деформации при осмотре места пожара можно увидеть и нужно оценить.

Оценка величины и направленности деформаций дает важную информацию об относительной интенсивности и направленности теплового воздействия в тех или иных зонах.

Визуальные признаки деформации, которые следует фиксировать и оценивать:

1. Направление деформации металлических элементов. Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как правило, в сторону наибольшего нагрева. Кстати, это свойство не только металлов, но и многих других негорючих материалов, например, стекла.

2. Величина деформации.

С чисто теоретической точки зрения, величина деформации конструкции должна быть пропорциональна температуре и длительности ее нагрева. Поэтому, казалось бы, очевидно, что на месте пожара наиболее «горячей» зоной можно считать ту, в которой металлоконструкция имеет наибольшую деформацию. Однако наибольшая деформация происходит не всегда там, где имела место наибольшая температура или наиболее интенсивный нагрев. Она может быть и там, где конструктивный элемент имеет наибольшую степень свободы или более высокую нагрузку. Если, например, стальная балка перекрытия имеет наибольшую деформацию посередине пролета, то это еще не значит, что именно в этой точке был наиболее интенсивный нагрев — просто здесь на балку действует наибольший изгибающий момент. И тем не менее, на рассредоточенных по зоне горения однотипных и относительно одинаково нагруженных конструкциях оценить степень деформации в сравнении друг с другом очень полезно. Это (при относительно равномерной пожарной нагрузке в помещении) можно рассматривать как явный признак направленности распространения горения.

Чтобы количественно оценить степень деформации, рассчитывают так называемую величину относительной деформации. Это отношение величины прогиба к величине участка конструкции, на которой этот прогиб наблюдается (b/l) (рисунок).

Величина b/l для однотипных конструкций наносится на план места пожара. Такая информация в первом приближении характеризует распределение зон термических поражений на месте пожара и может быть использована в поисках его очага. Эти данные относятся к группе последовательно нарастающих (убывающих) термических поражений.

Требуют серьезного внимания локальные деформации металлоконструкций на отдельных участках, т.е. произвольно расположенные термические поражения. Четко выраженные и значительные по величине локальные деформации возникают, как правило, на начальной стадии пожара, когда горения во всем объеме помещения еще нет и конструкции нагреваются от очага пожара в ограниченной локальной зоне. Если указанное локальное термическое поражение не находит объяснения – оно должно восприниматься как очаговый признак.

Б. Образование окислов на поверхности металла.

Алюминий и его сплавы.

Известно, что на поверхности алюминия и его сплавов уже при комнатных температурах существует микронной толщины окисный слой, который предохраняет алюминий от окисления. Окисел этот выполняет свою функцию и при нагреве алюминиевого изделия на пожаре, вплоть до достижения температуры плавления алюминия. Какой-либо полезной экспертной информации из исследования окисного слоя на алюминии извлечь не удается.

На поверхности медных изделий до температуры примерно 100 оС — присутствует черная пленка окисла (CuO, окись меди). При нагреве выше 100 оС и достаточной длительности — образуется пленка закиси меди — красного цвета (Cu2O). Это обстоятельство дает возможность в отдельных ситуациях оценивать, превышала ли температура в зоне, где находится медное изделие, указанную температуру.

Если поверхность обработанная, гладкая, то первый признак теплового воздействия, который можно обнаружить визуально — цвета побежалости. Они появляются при нагревании стали до температуры 200-300 оС благодаря образованию на ее поверхности пленки окисла микронной толщины. Толщина слоя окисла зависит от температуры, а за счет интерференции света с изменением толщины пленки меняется ее цвет. Таким образом, получается, что цвет пленки окисла («цвет побежалости») зависит от температуры нагрева стали и может использоваться для ее определения. Существует примерно следующая цветовая шкала цветов побежалости на сталях.

Следует отметить, что оценка нагрева металлических конструкций по цветам побежалости при поисках очага пожара используется редко. Чаще это делается при установлении причин пожаров, связанных с трением, локальным перегревом в технологических установках, двигателях и т.д.

Высокотемпературный окисел — окалина — образуется на сталях обыкновенного качества при температуре более 700оС.

Рост толщины окалины происходит по параболическому закону. Чем больше температура и длительность нагрева, тем она толще.

От температуры образования зависит и состав окалины. Она может состоять из трех слоев различных окислов (рисунок) (начиная от поверхности металла):

вустита (оксида двухвалентного железа, FeO), имеющего черный цвет

промежуточного слоя — магнетита (оксида двух-трехвалентного железа, Fe3O4 ,),.

гематита (оксида трехвалентного железа, Fe2O3), имеющего рыжий цвет.

Чередование окислов на поверхности металла связано с разным процентным содержанием кислорода в воздухе на пожаре по мере его развития.

Вначале при относительно высоком содержании кислорода происходит образование гематита. Затем по мере возрастания температуры и убывании кислорода в воздухе под слоем гематита образуется слой магнетита и ниже слой вустита. Таким образом, чем выше температура, тем больше в окалине вустита и меньше гематита

Это обстоятельство позволяет по цвету окалины и ее толщине ориентировочно оценивать температуру нагрева металлоконструкций. Низкотемпературная окалина (700 – 750 оС), в которой мало вустита, обычно имеет рыжеватый оттенок и достаточно тонкая. Окалина, образовавшаяся при 900-1000 оС и более — толстая и черная.

Обязательно надо помнить, что окалина – это очень плотный материал, прочно связанный с самим металлом: поэтому если окисел на поверхности стальной конструкции хоть и имеет рыжий цвет: но рыхлый и непрочный, то это, скорее всего, вообще не окалина, а обыкновенная ржавчина.

Цвет окалины и ее толщина дают возможность примерной оценки температуры нагрева стальных конструкций на пожаре. При этом, однако, не исключены ошибки, поэтому лучше все-таки проводить инструментальные исследования окалины и определять, таким образом, не только температуру, но и длительность нагрева конструкции.

Инструментальные методы исследования окалины будут рассмотрены ниже.

Расплавления и проплавления металла

Расплавления и проплавления (образование сквозных отверстий) металлов и сплавов на пожарах, особенно крупных, встречается не так уж редко. Можно считать, что это наиболее высокая степень термических по­ражений конструкций и отдельных предметов.

В 70-х годах В.Г.Выскребов (ВНИИСЭ) предложил даже использовать так называемый » метод температур плавлений» для поисков очага пожара. Метод заключался в фиксации мест, где расплавился тот или иной материал, и определении таким образом распределения температурных зон по месту пожара. Известно, например, что температура плавления составляет:

— у алюминия — 600 оС

— бронзы литой — 880-1040 оС

— стали — 1300-1400 оС

Таким образом, если в зоне А расплавился алюминиевый провод, то следует сделать вывод, что температура там превышала 600 оС, а в зоне Б, где оплавились медные провода, она была, как минимум, 1080-1090 оС.

Конечно, фиксировать на месте пожара зоны, где расплавился тот или иной материал, весьма полезно. Но считать это самостоятельным методом установления очага пожара было бы неразумно; да и температурные зоны устанавливаются таким путем достаточно условно. Если расплавился алюминий, то это не значит, что температура была 600 оС, она могла быть и 700- 900-1000 оС.

Кроме того, нужно иметь в виду, что «проплавления» в металле могут возникнуть и вовсе при температуре, ниже температуры плавления. Возможно это, как минимум, по двум причинам:

1. Локальный нагрев тонкого стального изделия (листа, проволоки и т.п.) приводит к образованию слоя окалины, соизмеримого по толщине с самим изделием. Окалина, не обладая достаточной механической прочностью затем может выкрошиться, и на изделии после пожара обнаружится «дырка».

В качестве примера приведем исследование пожара, произошедшего на складе одного из научно-исследовательских институтов. При осмотре места пожара там было обнаружено несколько стоящих вертикально рулонов сетки Рабица, на боку которых имелись вытянутые по вертикали каверны — проплавления сетки. Наличие таких проплавлений показалось дознавателю очень подозрительным — ведь температура плавления стали, как указывалось выше, 1300-1400 о С, и обеспечить такую температуру могло, разве что, применение каких-то таинственных спецсредств поджога. Все оказалось, однако, более прозаично. Когда остатки сетки по периметру прожогов исследовали, то оказалось, что проволочки полностью состоят из оксидов железа (не окисленного железа там уже нет), т.е. сталь полностью превратилась в окалину. Для такого процесса не нужна температура 1300-1400, достаточно и 800-900 о С. Но, тем не менее, почему разрушения имеют такой специфический, локальный характер? Оказалось, что над рулонами сетки, на деревянных антресолях склада хранилось несколько тонн полиэтиленовой пленки. При пожаре полимер плавился, горел, а часть его стекала на расположенные ниже рулоны сетки. Прилипающий к сетке и горящий полимер и привел в конечном счете к образованию столь странных » проплавлений».

Растворение металла в металле.

Расплавленный в ходе пожара более легкоплавкий металл при попадании на металл более тугоплавкий может привести как бы к «растворению» последнего в расплаве первого металла. Причем происходит это при температуре, ниже температуры плавления «тугоплавкого» металла.

Такой процесс возможен, например, при попадании расплавленного алюминия на медь и ее сплавы. Происходит это за счет образования эвтектического сплава меди с алюминием. Известно, что чистая медь имеет температуру плавления 1083 оС. В то же время эвтектические (совместно плавящиеся) сплавы «медь + расплавленный алюминий» – 660 оС, «медь + расплавленная латунь» — 870-980 оС

Точно также способностью растворяться в расплавленном алюминии обладает сталь.

Растворение стали в алюминии

Растворение происходит в три этапа:

а) окалинообразование на стали, протекающее под воздействием попавшего на нее расплавленного алюминия; (для этого достаточно температуры образования гематита — 700-750 оС)

б) химическое взаимодействие образовавшихся оксидов железа с расплавленным алюминием (термитная реакция):

Fe2O3 + 2Al —> Al2O3 + 2Fe + 847,8 кДж

Реакция эта, как видно из уравнения, сопровождается сильным тепловыделением, что приводит к дополнительному разогреву в зоне реакции и, соответственно, интенсификации последней.

в) растворение восстановленного из окисла железа за счет тепловыделения при термитной реакции (для этого тоже не обязательно достижения температуры плавления стали, например, при температуре 900 оС в алюминии может раствориться до 10 % железа).

Конечным результатом протекания указанных реакций может быть проплавление (дырка) в тонком стальном листе, в стенке стальной трубы и т.д.

Квалификационным признаком, позволяющим отличить такую дырку от проплавления, возникшего, например, под действием электрической дуги, является характерный контур проплавления (в форме лужицы, потека) и тоненькая каемка алюминия, обычно сохраняющаяся по периметру дырки.

Г. Горение металлов и сплавов

Известна способность к горению щелочных и щелочноземельных металлов (K, Na, Mg). Менее известно, однако, что в определенных условиях способны гореть (т.е. взаимодействовать с кислородом воздуха) и другие металлы и сплавы. Примером в данном случае могут быть широко распространенные в качестве конструкционных материалов алюмомагниевые сплавы.

Алюминий, нагретый до 660 оС, несмотря на существование оксидной пленки, все же начинает окисляться тем быстрее, чем ближе его температура к точке плавления, а горение алюминия в кислороде сопровождается значительно большим тепловыделением, чем горение других металлов (1675 кДж/моль).

Температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов, в зависимости от содержания магния в сплаве могут находиться в пределах 450-560 оС. Наименьшие температуры установлены для сплавов с содержанием магния 45-49%. Они получены методом ДТА для мелкодисперсных порошков (диаметр частиц менее 50 мкм). Известно, что металлы лучше горят в мелкоизмельченном виде, тем не менее, на развившемся пожаре, при хорошей пожарной нагрузке способны гореть и сплавы в виде элементов конструкций. Пожарные, в частности, наблюдают это при пожа­рах в ангарах из легких металлоконструкций со сгораемым утеплителем.

Повышенное содержание кислорода резко увеличивает возможность загорания и интенсивность горения металлов. Такие ситуации могут сложиться на подводных лодках в медицинских барокамерах, на производствах, связанных с применением газообразного и жидкого кислорода. Наиболее распространенные марки сталей при толщине образца 3 мм и температуре 20 оС способны гореть в кислороде при его давлении 0,02 Мпа, а алюминиевые сплавы (при тех же параметрах) — при давлении 0,1 Мпа. Другие металлы менее склонны к горению в кислороде.

Визуальными признаками горения металлов является разрушение конструкций в зоне горения. От выгоревшей детали часто остается ажурный скелет. Горение часто сопровождается разбрызгиванием металла, в результате чего на месте пожара обнаруживаются множественные мелкие частички металла и его окислов, аналогичные тем, которые образуются при дуговых процессах.