Следы побежалости на металле

Следы побежалости на металле

Опубликовал: Kirill B.

Бытует мнение, что цвета побежалости при сварке углеродистых сталей являются дефектом. Мне лично пару раз приходилось такое слышать и однажды, увидев комментарии к фотографии шва с яркими цветами побежалости, что это явный дефект, решил разобраться в вопросе более подробно. Этакий MYTHBUSTERS предлагаю посмотреть под катом.

Начнем с определения.

Цвета побежалости — радужные цвета, образующиеся на гладкой поверхности металла или минерала в результате формирования тонкой прозрачной поверхностной оксидной плёнки (которую называют побежалостью) и интерференции света в ней. [1]

Эти цвета ранее использовали для определения температуры при термообработке стали. Но это не очень точный индикатор. На окрас влияет скорость подъёма температуры, состав газовой среды, время выдержки стали при данной температуре, а также характер освещения и др. факторы. [1]

Между толщиной плёнки и длиной волны отраженного ею света существует прямая зависимость: чем больше толщина пленки, тем более коротковолновый отраженный свет мы получаем. Например, синий цвет образуется, когда из белого «вычитаются» более длинные волны, например, красный и оранжевый, а жёлтый образуется при «вычитании» из спектра коротковолнового излучения, например, фиолетового и синего (закройте правую часть радуги, что показана выше). Получается, что синий цвет соответствует более высокой температуре нагрева, а жёлтый — более низкой. [2]

Интересно про цвета побежалости написано здесь.

Рассмотрим схему участков сварного соединения и их термический цикл. [3]

Нам интересен участок №7. Он также называется участком синеломкости и охватывает температурный диапазон от 200 до 400 °С. На этом участке наблюдаются синие цвета побежалости на поверхности металла (откуда и название). При сварке низкоуглеродистых сталей основной металл в этой зоне не имеет видимых структурных изменений, но наблюдается резкое падение ударной вязкости из-за снижения пластичности. Это происходит в тех случаях, когда в сталях содержится кислород, азот и водород в несколько избыточном количестве. Размеры отдельных участков ЗТВ и общая ширина ее зависят от условий нагрева, охлаждения и способов сварки. [4, 5]

При сварке нержавеющих сталей цвета побежалости также проявляют себя, но в других диапазонах температур. Для нержавеющих сталей изменение цвета при нагреве на воздухе наблюдается: светло-соломенный (300°C), соломенный (400°C), красно-коричневый (500°C), фиолетово-синий (600°C), синий (700°C). [1]

Побежалость для коррозионностойких сталей является более критичной, т.к. является показателем того, что пассивный (защитный) слой поврежден, и в этом месте могут возникнуть очаги точечной (питтинговой) коррозии. [6] Поэтому поврежденный слой необходимо зачищать либо лепестковыми кругами, либо щеткой с ворсом из нержавейки (не допускается зачистка стальной щеткой), либо травление.

Итак, получается, что цвета побежалости – неизбежное явление при сварке сталей. Кроме того, в Инструкции по визуальному и измерительному контролю (РД 03-606-03) такой дефект не определен. Они указаны там лишь только как загрязнение, препятствующее контролю и которое должно быть зачищено.

Вероятно, это считают дефектом по ошибке — путают со сваркой титана. Здесь должна обеспечиваться надежная газовая защита поверхности металла нагретой свыше 400°C. О хорошей газовой защите свидетельствует блестящая серебристая поверхность. Появление на шве желто-голубых цветов побежалости указывает на нарушение защиты, а серый налет свидетельствует о плохой защите. [7]

Интересен тот факт, что цвет побежалости считается дефектом сварного соединения, появляется и в нормативных документах. Например, в СТО-ГК “Трансстрой” 005-2007 Стальные конструкции мостов. Технология монтажной сварки.

Также мне попалась интересная статья по разработке метода определения сварочных напряжений по цветам побежалости. [8] Нюанс в том, что исследована модель однопроходного шва. Будет ли этот метод работать на многопроходных швах?

В следующей статье мы попытаемся выяснить, можно ли определить был или не был перегрет металл, исходя из ширины участка синеломкости. Что касается вопроса в заголовке статьи, то, я думаю, ответ очевиден — наличие цветов побежалости не является дефектом для углеродистых сталей.

Список использованных материалов:

3. В.А. Лосев, Н.А. Юхин. Иллюстрированное пособие сварщика. Москва: Соуэло, 2004. 59 с.

4. Костенко Е.М. Сварочные работы: Практическое пособие для электрогазосварщика.

5. В.А. Чебан. Сварочные работы: учеб. пособие. Изд. 3-е. Ростов-на-дону: Феникс, 2006. 412 с.

6. Ю. П. Солнцев, Е.И. Пряхин. Материаловедение: учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. Спб.: Химиздат. 2007. 784 с.

7. С.М. Гуревич. Сварка химически активных и тугоплавких металлов и сплавов. Москва: Машиностроение. 1982. 95 с.

8. Р.В. Гольдштейн, В.М. Козинцев, Д.А. Куров, А.Л. Попов, Д.А. Челюбеев. Разработка метода определения сварочных напряжений по цветам побежалости. УДК 539.3+53.082.56 http://vestnik.pstu.ru

При использовании данного материала ссылка на ресурс ЯСВАРЩИК обязательна.

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.

Шкала цветов побежалости углеродистых сталей

Толщина окисных пленок определяется температурой и временем нагрева, а существующие шкалы цветов побежалости носят довольно условный характер.

• Во-первых, визуальная оценка — очень субъективный процесс, результаты которого определяются освещенностью и практическим опытом.
• Во-вторых, плотность окисной пленки определяется и химсоставом сплава.

Поэтому таблицы соответствия разнятся (для углеродистых, жаростойких, нержавеющих сталей ), и можно говорить только об ориентировочном соответствии. Но усредненная таблица цветов побежалости выглядит следующим образом

Цвета

Температура нагрева, °С

коричнево-желтый до бурого

лиловый

цвет морской воды

Например, при продолжительном нагреве при 220 °С можно вызвать посинение стали. Или желаемый цвет получается при кратковременном нагреве до температуры, более высокой, чем указанная в таблице. Но для каждого цвета побежалости существует температурный минимум, ниже которого нужный цвет не получится.

Цвета побежалости для отделки поверхности

При подготовке регламентов стоит предпочесть более низкие температуры и более продолжительную выдержку, так как пленки в этом случае получаются более прочными и исключается создание дополнительных термических напряжений, которые могут приводить к короблению изделий.

Цвета побежалости используют для отделки поверхности изделий из стали, чугуна и цветных металлов: пряжек, поковок, солнечных коллекторов, холодного оружия и обрабатывающего инструмента. Это и всем известный процесс воронения.

И для закаленной стали и не закаленной образование окисных пленок будет происходить по-разному. На скорость образования окисных пленок значительное влияние оказывают:

• структура. Закаленные стали окисляются медленнее,
• загрязненность поверхности. Масляные пленки обугливаются до сажи, поэтому пленки получатся рыхлыми и неплотными,
• шероховатость поверхности. На полированной поверхности пленка получится тоньше, чем на шершавой при одинаковых условиях.

Для получения плотной, равномерной окисной пленки необходимы нагревательные печи, способные удерживать стабильную температуру в течение длительного времени.

В домашних условиях это или горн, или паяльная лампа, или качественная плита с духовкой. И в таком случае режим чернения подбирается для каждого изделия индивидуально. Необходимо помнить, что переход из одного цвета в другой происходит быстро, поэтому процесс требует самого пристального внимания.

Вопросы для самопроверки

Каким требованиям должен отвечать анодный протектор?

2. Условия применения катодной протекторной защиты.

3. Сокращаются ли суммарные потери металла в случае защиты анодным протектором?

4. При каких условиях достигается полная электрохимическая защита с помощью анодного протектора?

5. Каков физический смысл понятия «радиус действия протектора»?

6. Основные качественные характеристики работы анодного протектора.

7. Какую роль играет наполнитель для протектора?

8. Преимущества и недостатки катодной протекторной защиты.

Металловедение

Работа 5

Исследование цвета побежалости металлов

При термической обработке

Большинство металлов во время термической обработки при взаимодействии с окислителями покрываются пленкой оксидов.

Когда металлы взаимодействуют с окислителями (CO₂, H₂O, O₂, Cl₂, SO₂) начальной стадией является адсорбция окислителей на поверхности металла. Между атомами металла и окислителем сразу возникает сильная ионная связь – атом металла передает атому кислорода два электрона. Атом кислорода находится под воздействием поля, которое создают атомы металла. На поверхности металла адсорбируется окислитель, при этом внутренняя поверхность образовавшейся адсорбционной пленки заряжена положительно, а внешняя – отрицательно.

Распределение атомов окислителя на поверхности металла очень сильно зависит от расположения на поверхности атомов металла [3].

Поверхность металла заполняется хемосорбированным окислителем почти мгновенно и образуется тонкий слой окисляющего вещества. При пониженных температурах после хемосорбированного окислителя за счет ванн-дер-ваальсовых сил может возникнуть и физическая адсорбция молекул окислителя.

Если между металлом и окислителем есть химическое сродство (оксид термодинамически стабильный), то пленка, состоящая из хемосорбированного окислителя, превращается в оксидную пленку. Металл и окислитель в оксидной пленке поддерживают ионную связь.

Следующей стадией является образование продуктов коррозии – химических соединений, которые образуются в результате химического взаимодействия металла и некоторых компонентов окружающей среды. Продукты коррозии формируют на поверхности металла пленку, которая может обладать защитными свойствами, затрудняя подход окислителей. Данный процесс протекает с самоторможением во времени.

По толщине оксидной пленки на металлах их принято разделять на три группы: толстые, тонкие, средние.

Тонкие оксидные пленки невидимы для человека невооруженным глазом. Их толщина составляет до 40 нм.

Средние оксидные пленки в толщину достигают от 40 до 500 нм и дают цвета побежалости.

Толстые оксидные пленки хорошо видны на поверхности металла. Их толщина составляет свыше 500 нм. Иногда они могут быть достаточно толстыми, как, например, окалина на поверхности стали.

От защитных свойств оксидных пленок зависит жаростойкость металла, законы роста толщины пленки во времени и многое другое.

При образовании окисной пленки устанавливается скорость окисления металла, которая может изменяться во времени.

Радужная окраска, появляющаяся на чистой поверхности нагретой стали в результате образования на ней тончайшей оксидной плёнки, называется цветом побежалости.

Толщина плёнки зависит от температуры нагрева стали. Плёнки разной толщины по-разному отражают световые лучи, чем и обусловлены те или иные цвета побежалости (см. таблицу 5.1). На легированных (особенно высоколегированных) сталях те же цвета побежалости появляются при более высоких температурах.

Таблица 5.1 – Цвета побежалости на поверхности железа

Цвета побежалости возникают из-за интерференции белого света в тонких плёнках на отражающей поверхности. При этом, по мере роста толщины плёнки, последовательно возникают условия гашения лучей с той или иной длиной волны. Сначала из белого света вычитается фиолетово-синий цвет (λ

400 нм), и наблюдается дополнительный цвет — жёлтый. Далее, по мере роста толщины плёнки, и, соответственно, увеличения длины волны «погасившихся» лучей, из непрерывного солнечного спектра вычитается зелёный цвет, и наблюдается красный, и т. д.

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.

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

Цвета́ побежа́лости — радужные цвета, образующиеся на гладкой поверхности металла или минерала в результате формирования тонкой прозрачной поверхностной оксидной плёнки и интерференции света в ней. Цвета побежалости обычно наблюдаются при нагревании сплавов железа, например углеродистой стали.

• Чаще всего термин используют в металлообработке, термообработке стали.

Содержание

Происхождение [ править ]

Физика процесса роста оксидной плёнки на стали [ править ]

При нагревании стальных изделий вначале один за другим быстро сменяются цвета побежалости, от светло-желтого до серого. Затем, по мере роста температуры (выше 450-500 °С) вслед за последним цветом побежалости появится первый цвет каления, заметные лишь в тёмном помещении. При температуре нагрева, достигающей 650 °С металл накалится до явственного темно-красного цвета. Далее, примерно при 700 °С, металл становится вишнево-красным, при 800 °С – светло-красным, при 900 °С- оранжевым, при 1000 °С – оранжево-желтым, при 1100 °С – светло-желтым, при 1150 °С – соломенно-желтым, при 1200 °С металл накалится до белого цвета, как говорят, до белого каления. Если температуру нагрева увеличить еще на 200°С, то белый цвет почти не изменится, но станет значительно ярче.

Оптические эффекты в тонких плёнках [ править ]

Цвета побежалости возникают из-за интерференции белого света в тонких плёнках на отражающей поверхности, при этом по мере роста толщины плёнки последовательно возникают условия гашения лучей с той или иной длиной волны. Сначала из белого света вычитается фиолетово-синий цвет (λ

400 нм), и мы наблюдаем дополнительный цвет — жёлтый. Далее, по мере роста толщины плёнки, и, соответственно, увеличения длины волны «погасившихся» лучей, из непрерывного солнечного спектра вычитается зелёный цвет, и мы наблюдаем красный, и т. д.

Применение [ править ]

Цвета побежалости возникают чаще всего при окислении, в результате термической обработки металлов. Обычно, при быстром нагреве, они 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 – свечения металла, нагретого до высоких температур (например для стали от темнокоричневого цвета при 550°С до белого при 1300°С) в прошлом, 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.

Цвета побежалости — не очень точный индикатор. На них заметно влияет состав сплава, 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 легирование обычно повышает стойкость стали к окислению на воздухе.

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

Примерные цвета побежалости для стали [ править ]

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

Температуpa, °С	Цвета побежалости
200	Светло-соломенный
220	Соломенный
225	Светло-жёлтый
230	Золотистый
240	Коричнево-жёлтый
255	Коричневый
260	Красно-коричневый
270	Пурпурно-красный
280-285	Фиолетовый
295-300	Ярко-синий (васильковый)
310	Светло-синий
320-325	Светло-голубой
330-350	Светло-серый

На легированных сталях эти цвета побежалости появляются при более высоких температурах.

Цвета побежалости в природе [ править ]

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.