Как определить температуру металла

Измерение температур металла

Наибольшее распространение получили термоэлектрические и оптические пирометры.

Схема термоэлектрического пирометра приведена на рисунке:

Он представляет собой термопару с гальванометром. Термопара — это две проволочки из разнородных металлов или сплавов, сваренные между собой.

Если место спая проволочек поместить в расплавленный металл, температуру которого мы хотим определить, то на свободных концах проволочек КК возникнет термоэлектродвижущая сила, тем большая, чем больше разность температур «горячего спая» — спая, погруженного в металл, и свободных концов — «холодного спая».

Отклонение стрелки гальванометра, подключенного к свободным концам термопары, при постоянной температуре окружающей среды будет пропорционально температуре исследуемого металла.

Для удобства пользования гальванометром на нем имеется температурная шкала.

Для термопар используют различные металлы и сплавы.

Так, например, для измерения температур термопару изготовляют из платины и сплава платины с родием.

Для температур применяют термопару — хромель (хромоникелевый сплав) и алюмель (алюминеникелевый сплав), еще при более низких температурах используют железо-константановую (медно-никелевый сплав) и медно-константановую термопары.

Температуру раскаленного металла можно определять оптическим пирометром — путем сравнения яркости его свечения с накалом нити электрической лампочки.

На рис. 63, а показан оптический пирометр. Объектив пирометра направляют на раскаленный предмет. Внутри пирометра светится электрическая лампочка. В поле зрения окуляра видны одновременно нить накала и раскаленный металл.

Изменяя с помощью реостата силу электрического постоянного тока, питающего электрическую лампу, подбирают такой ток, чтобы яркость нити накала электрической лампы и раскаленного металла совпала (рис. 63, б).

В зависимости от величины тока стрелка прибора отклонится по шкале на различный угол. Для удобства шкала отградуирована на градусы Цельсия.

Приближенные методы определения значения температуры металла

Помимо перечисленных методов, в практике термической обработки используют приближенные методы, дающие только, ориентировочные значения температуры металла. К таким методам следует отнести определение температуры металла по цветам каления при нагреве под закалку или отжиг и определение температуры металла при отпуске по цветам побежалости, появляющимся на светлой поверхности деталей (рис. 64).

Способы определения температуры без термопар

В любительской практике для определения температуры нагретой детали без измерительных приборов можно использовать несколько методов.

Первый метод «по цвету накала»

Сталь при нагреве выше 530°С излучает световые лучи различного цвета в зависимости от температуры нагрева.

В таблице приведены цвета каления стали, соответствующие условиям обычного дневного освещения, и температуры нагрева, соответствующие этим цветам.

При определении температуры нагрева на глаз следует иметь в виду, что окружающие световые условия (дневной яркий свет, слабое искусственное или естественное освещение) в значительной степени искажают действительную температуру нагрева металла. Кроме этого, подобный метод не может быть точным в связи с индивидуальными особенностями глаз наблюдателя. При достаточном опыте ошибка не выходит за пределы 25-30 градусов

Второй метод «по цветам отпуска (побежалости)»

При нагреве металла от 200 до 300 градусов на зачищенной наждаком поверхности появляются цвета побежалости (таблица «Цвета отпуска») за счёт образования плёнок окислов различной плотности; каждая из плёнок отражает лучи только определённого цвета.

Метод cпички

Спички — самое легкое и доступное средство получить огонь. Однако при помощи обычной спички можно определять температуры предварительного и сопутствующего подогрева при сварке.

Чаще всего спички делают из осины, липы, тополя или американской сосны. Надо отметить, что большинство российских предприятий делают спички из осины. Головка спички состоит из бертолетовой соли и калиевого хромпика, которые отдают кислород при высокой температуре. А для того чтобы температура не повышалась слишком сильно, в состав включают катализатор – пиролюзит. Также спичечная головка состоит из серы, клея и сульфида фосфора, которые заставляют спичку гореть. А чтобы скоростью горения можно было управлять, в массу добавляют молотое стекло, цинковые белила и железный сурик.

Для воспламенения серной головки спички необходима температура, которая превышает более, чем 180 градусов по Цельсию. Если прикоснуться головкой спички к металлу, разогретому до такой температуры, то она загорится.

Метод слюны

На самый ранних уроках по физике в школе ученики получают знания, что вода кипит при температуре 100 градусов по Цельсию. Поэтому капнув водой на разогретый металл (в крайнем случае плюнув на трубу) можно определить нагрета ли труба до температуры выше 100 градусов или нет.

Несмотря на обилие методов безинструментального контроля для их применения необходимо обладать большим опытом. Но и в любом случае все эти методы имеют достаточно высокую погрешность. Поэтому при возможности рекомендуется использовать высокоточные поверенные регистраторы температуры, термопары или пирометры.

Цвета побежалости

Для людей, чья сфера деятельности далека от металлообработки, словосочетание «цвета побежалости» не только ничего не говорит, но и представляет даже некую загадку. Действительно, что же интригующего и необычного скрывает данное понятие?

На самом деле все гораздо прозаичней и обыденней, а следы побежалости видел практически каждый взрослый человек. Давайте же разберемся в этом вопросе.

Что такое цвета побежалости?

Это цвета радужного спектра, образующиеся на гладкой или полированной поверхности материалов. Наиболее выразительно проявляется побежалость металлов и сплавов с серым цветом, хотя она также довольно часто образовывается на поверхности меди, бронзы и латуни, а также на кристаллах минералов, например, халькопирита, борнита, висмута. А данную терминологию чаще всего используют люди, чья профессия так или иначе связана с различными видами обработки сталей и других металлов и сплавов:

• сваркой и наплавкой;
• термической обработкой;
• токарной и фрезерной обработкой.

Цвета побежалости позволяют им еще до инструментального контроля ориентировочно определить температуру воздействия на металл, ведь особенность этого физического явления – частичная необратимость. То есть, если цвета побежалости уже проявились на металле, то либо их вообще нельзя удалить, либо удаление потребует применения механической, химической или термической обработки. Так или иначе, в большинстве случаев удается избавиться от них, однако опытный специалист, как правило, безошибочно определяет следы такой дополнительной обработки. Тем не менее появление радужной расцветки на металлоизделиях не всегда является признаком дефекта, такую особенность металлов используют в ювелирном деле, при изготовлении огнестрельного и холодного оружия и в других областях.

Как возникают цвета побежалости?

Радужный перелив или отдельные цвета побежалости возникают из-за перераспределения интенсивности света в результате наложения нескольких световых волн. Подобная интерференция света возникает в микроскопических прозрачных пленках окислов, образующихся на отражающих поверхностях, а оксидирование металлов происходит в результате воздействия определенных химических реагентов или тепловой энергии. Чем меньше температура нагрева, тем тоньше оксидная пленка, соответственно больше спектральных составляющих в отражающихся лучах и светлее цвет побежалости. И наоборот, чем сильнее нагревается металл, тем толще оксидная пленка и темнее ее оттенок из-за поглощения длинных световых волн.

Наличие радужного перелива не всегда, но довольно часто является дефектом или свидетельствует о нарушении технологии металлообработки. Например, при токарной обработке выход темно-синей стружки говорит о том, что явно был превышен скоростной режим резания или не применялась смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ). А вот цвета побежалости при закалке металлоизделий считаются нормой. Более того, именно по оттенкам можно, пусть и приблизительно, судить об интенсивности теплового воздействия.

При отсутствии инструментального контроля такие дефекты структуры, как охрупчивание и перегрев, возникающие при электродуговой и контактной сварке, многие специалисты также определяют при внешнем осмотре изделия, изучая следы побежалости. Так, показателем правильной технологии и хорошей защиты металла сварного шва нержавеющей и углеродистой стали считаются серебристые оттенки. Радужные оттенки сине-фиолетового спектра говорят о нарушении технологии, а возникают они из-за интенсивного распространения теплоты от центральной части пятна нагрева и говорят о снижении пластичности и ударной вязкости стали.

• гдеq_2max– наибольший удельный тепловой поток в центре пятна нагрева;
• k– коэффициент сосредоточенности удельного потока дуги, см -2 ;
• r– расстояние от оси источника, см.

Рисунок – Распределение удельного теплового потока q₂ (кал/см 2 *с) по пятну нагрева стали: открытой дугой – график черного цвета, под флюсом – график красного цвета.

Таким образом, чем меньше зона термического влияния дуги, тем меньше структурных изменений в металле и надежней сварное соединение. Но опять-таки данное утверждение носит обобщенный характер, так как при сварке и наплавке металлоизделий из разных сталей необходимо учитывать химические и физико-механические свойства конкретной марки, толщину стенки и пространственное положение шва.

Метод измерения температур по цветам побежалости

У разных металлов и сплавов цвета побежалости при нагреве проявляются радужными оттенками разной степени насыщенности и появляются при разном температурном воздействии. Исходя из того, что избыточный нагрев может критически повлиять на физико-механические свойства, то подобные знания помогут предположительно судить о характере термической обработки или о качестве выполненных сварочных работ.

Остается только определить переливающийся цвет металла и делать это лучше в условиях естественной инсоляции, так как некоторые электрические источники света имеют склонность к частичному искажению цветопередачи. Ну, а поскольку выучить сразу данную информацию проблематично, а стандартные шаблоны с палитрой интерференционных оттенков не всегда можно приобрести в продаже, мы скомпилировали в один массив все цвета побежалости и таблица упросит идентификацию температуры нагрева и закалки.

Цвета побежалости металлов, определение температуры по цвету нагретой заготовки

Россия
Украина
Беларусь
Молдова

1. 5
2. 4
3. 3
4. 2
5. 1

Цвета побежалости металла – это спектр цветов, которые образуются на поверхности металла при появлении появления окисной пленки. Эти окисные пленки создаются из самого металла при нагревании. Важным условием для образования такой пленки является отсутствие воздействия воды.

Такая побежалость металла является дефектом сварного соединения.

Происхождение цветов побежалости металла

В естественной природе цвета побежалости можно наблюдать на поверхностях ряда минералов, среди них пирит и халькопирит. Логично заключить, что эти изменения видны в следствие окисления верхнего слоя материала. Как результат — они покрываются тонкой оксидной пленкой, которая и преломляет попадающий на ее поверхность свет. Создавшийся эффект интерференции, «окрашивает» поверхность металла в разные цвета.

Яркость цветов побежалости зависит от толщины образуемой оксидной пленки и длины световой волны, которая попадает на поверхность материала. Самые яркие оттенки можно увидеть на медных минералах. Получаемые цвета также зависят от состава металла. Если в элементе есть много ионов металлов, то он окрашивается в синие цвета. В случае если присутствуют хромофоры, вы увидите красные цвета.

Искусственный цвет побежалости металла появляется на его поверхности при воздействии высоких температур. Важно условие – отсутствие воды и любых других жидкостей.

По мере нагрева образовавшаяся окисная пленка уменьшается, что объясняется диффузией (процесс «смешивания» или проникновения частиц хим.элемента в другой материал). Конкретно в ситуации с окисной пленкой металла наблюдается взаимодействие атомов кислорода и металла.

Стоит отметить, что на легированных сталях цвет побежалости появится при большем нагреве, чем на углеродистой стали.

США
Россия
Украина
Беларусь
Молдова

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.

Шкала цветов побежалости стали

Для углеродистых сталей можно привести следующую зависимость цветов и соответствующих температур:

На заготовках из нержавейки 12Х18Н10Т, где 18% хрома, также 10% никеля и 1% титана (взято из ГОСТ 5632-2014), цвета побежалости в зависимости от температуры будут изменяться несколько другим образом. Главное отличие – величины температур. Это объясняется коррозийной устойчивостью и жаропрочной стойкостью. Поэтому при нагреве и охлаждении частицы сплава и кислорода взаимодействуют медленнее, замедляя создание оксидной пленки.

В следующей таблице цветов побежалости металла представлены особенности изменения цвета изделий из нержавеющей стали:

На поверхностях заготовок из нержавеющей стали могут появиться радужные полосы. Они могут появиться при нагревании изделия до температуры кипения (100 °С). Появление радужных следов обусловлено изменениями в кристаллической решетке металла.

Радужный окрас на поверхности обрабатываемой заготовки не свидетельствуют о перегреве нержавеющей стали.

Я работал токарем и знаю, что такое побежалость. Интересное явление, особенно, когда металл «перегреешь» в процессе обработки. Он действительно нагревается от золотистого цвета до синего. Особенно было интересно, когда только обучался токарному делу. М-да.