Свет металла от температуры

Цветовая температура (ЦТ) – это характеристика интенсивности излучения источника света. Физически представляет собой функцию длины волны в оптическом диапазоне. Применяется в точных науках: физике, астрономии, колориметрии, спектрофотомерии.

Что такое цветовая температура

ЦТ искусственных источников света.

Цветовая температура  — это температура абсолютно черного тела, при которой оно излучает тот же цвет, что и рассматриваемое излучение. При нагреве все металлы, из которых состоят светоиспускающие элементы ламп, излучают разные оттенки света. Каждому цвету соответствует своя температура свечения.

Таким образом, ЦТ показывает, какую длину волны излучает источник света. А длине волны соответствует цвет. Это важная характеристика при подборе источника света для дома и офиса. Обычная лампа накаливания светит теплым желтым светом. А люминесцентные и светодиодные источники светят разными оттенками.

Единица измерения цветовой температуры

Измеряется в Кельвинах (К) во всех областях, кроме фотографии. Для удобства работы фотографов ввели единицу измерения Миред (Майред).

Температура упоминавшегося абсолютно черного тела принята за 0 К. Тело полностью поглощает падающий на него свет. Если его разогреть до 500-1000°С, то оно станет красным (800-1300 К).

Черное тело превратится в оранжевое (2000 К) при нагреве до 1700°С. Дальнейший нагрев превратит тело в желтое (2500 К), белое (5500 К) и голубое(9000 К).

Впрочем, последнее возможно только в термоядерной реакции.

Появление цвета при нагреве абсолютно черного тела.

Все эти цвета встречаются в природе. Например, желтый цвет (2500 К) наблюдается при восходе солнца, а белый (5500 К) – когда оно в зените. На небе облачно? Тогда цветовая температура составит около 7000 К. К сумеркам она увеличивается еще на 1000 К. А ясное небо зимой имеет температуру около 15000 К.

Первым ученым, который начал изучать абсолютно черное тело, был Макс Планк. При его участии разработана цветовая модель XYZ  − диаграмма цветности.

Диаграмма цветности.

Кривая на рисунке – это кривая Планка. Она характеризует цветовую температуру цветов. Согласно этой кривой регулируются настройки фотоаппаратов, видеокамер, графических редакторов.

Рассчитывают ЦТ целых сцен. Например, лесной пейзаж в солнечный день имеет температуру в 5500 К.

Эта цифра, равная температуре дневного света, получается как среднее арифметическое от сумм отдельных цветов на фотографии.

Расчет ЦТ лесного пейзажа в солнечный день.

На закате солнца картинка будет другая.

Расчет ЦТ пейзажа на закате.

Последний пример – водный пейзаж в сумерках.

Расчет ЦТ пейзажа в сумерках.

Человеческий глаз видит не весь спектр цветов. Мы воспринимаем диапазон от 800К до 25000К. А интервал 4500К-5200К самый комфортный для человека, приближенный к естественному свету.

Шкала цветовых температур распространённых источников света

Свет искусственных источников света делится следующим образом:

Цветовая градация искусственных источников света.

Диапазоны цветовой температуры для ламп. Маркировка цвета свечения

Для разных типов ламп диапазон цветовой температуры будет различаться.

Точный цвет света зависит от вида и мощности лампы. Например, двухсотваттная лампа накаливания имеет цветность равную 3000 К, хотя в целом разброс цветности невелик.

Наибольший диапазон ЦТ у светодиодных источников света. Разнообразие связано с их конструкцией: для изготовления светодиодов используются разные материалы. Свет даже одинаковых led различается в зависимости от производителя. Для точной индексации температуры свечения разработан стандарт ANSI C78.377A. Цветовое свечение светодиодных ламп разбивается на 8 классов:

• 2725±145 (К);
• 3045±175 (К);
• 3465±245 (К);
• 3985±275 (К);
• 4503±243 (К);
• 5028±283 (К);
• 5665±355 (К);
• 6530±510 (К).

Даже в рамках одного класса свечение у разных лампочек различается. Производители придумали разбивать классы на подклассы (бины). Унификации пока не достигнуто: каждый изготовитель предлагает свою линейку цветовых температур. Поэтому лучше в один светильник вставлять лампочки одной фирмы. Иначе будут  расхождения в цвете свечения.

На упаковке led-ламп кроме значения цветовой температуры указывается подгруппа цветности.

Маркировка	Расшифровка	Примерный свет
WW (warm write)	Теплый белый, 2700-3300 К.
NW (neutral write)	Нейтральный белый, 3300 – 5000 К.
CW (cool write)	Холодный белый, свыше 5000 К

Маркировка люминесцентных ламп по цветовой температуре

Российский ГОСТ выделяет пять разновидностей цвета. Они обозначаются буквами.

• ТБ – тепло-белый (2700-3000 К);
• Б – белый (3500 К);
• Е – естественный (5000 К);
• ХБ – холодно-белый (4200 К);
• Д – дневной (6000-6500 К).

Например, лампа ЛБ65 белого цвета. В последнее время российские производители наносят маркировку по международным правилам.

Зарубежные производители не маркируют по единому стандарту. Каждый изготовитель наносит свой шифр. ЦТ указывается цифровым кодом. Код у каждого производителя свой. Их расшифровку стоит спросить у продавца или посмотреть в технической документации.

Чаще всего ЦТ маркируют последними двумя цифрами кода. Их умножают на 100 для получения значения в Кельвинах.

Пример маркировки ЛЛ.

На лампе написано: L18W/840. Последние две цифры: 40. Значит, цветовая температура источника света: 40*100 = 4000 (К).

Часто европейские производители перед цифрами, обозначающими цветовую температуру, указывают слово Color/EW. (Например, Т8 w8 FS G13 RS 220 В. G Color/742. Цветовая температура составит: 42*100 = 4200 (К)).

Первая цифра трехзначного кода указывает на индекс цветопередачи (Ra/CRL). Это характеристика показывает, насколько реалистично передаются цвета при данном освещении. Индекс цветопередачи измеряется в процентах. Чем выше, тем лучше. Шифруется первая цифра: например, 7 означает, что Ra = 70-79%. В зависимости от индекса цветопередачи свечение воспринимается по-разному.

Иногда в маркировке ЦТ указывается полностью: SPM-15-27-3500-55. В данном случае температура свечения составит 3500 К.

Свечение люминесцентных ламп.

Цветовая температура в фотографии, кинематографе и телевидении

Для создания картинки, точно передающей цвета, фото и видео операторы учатся настраивать технику правильно. Для фотографов особенно удобна шкала цветовой температуры в миредах.

Миред = 1000000/Кельвин.

Согласно этой шкале температура фотовспышки равняется: 100000/5000(К)=200 (миред).

Шкала удобна тем, что одинаково пропорциональна цветовым изменениям во всем спектре. Впрочем, фото и видео аппаратура настраивается в Кельвинах и в миредах, в зависимости от предпочтений владельца. Цифровые фотоаппараты и видеокамеры автоматически определяют цветовую температуру сюжета: портрет, ночной пейзаж и другие. Настройка цветовой температуры заложена в опции «баланс белого».

Настройка баланса белого на фото и видеокамерах.

Белый цвет на фото можно получить при использовании вспышки, прямого солнечного света, источников света с температурой 5500 К. В остальных случаях результат будет максимально приближен к белому.

ЦТ=6200 К. Цвета естественны.

Для этого надо правильно выставить цветовую температуру. Если фото (видео) вышло в синих тонах, то температура слишком маленькая.

ЦТ=2500 К. Температуру следует увеличить.

Если преобладают красные тона, то слишком она велика.

ЦТ=10000 К. Температуру стоит снизить.

В доцифровую эпоху выпускалась фотопленка для определенных цветовых температур. Например, для дневных съемок производили пленку с ЦТ= 5600 К, для вечерних – 3200 К. Позже стали выпускать промежуточный вариант с ЦТ=4500 К. При обработке пленочных и слайдовых материалов при необходимости проводилась цветокоррекция.

Для получения хорошей картинки активно применяют светофильтры.

Применение светильников с той или иной ЦТ

Для освещения помещений разработаны СП 52.13330.2016 (СНиП 23-05-95).

Для жилых комнат рекомендуется теплый свет, для рабочих помещений – дневной (3000-4000 К), для помещений с высокими требованиями к цветам – холодный (5000-6000 К).

Документ советует при наличии в пространстве большого  количества зеленых и синих объектов выбирать светильники с ЦТ более 4000 Кельвинов. А при обилии красных и желтых предметов – менее 3500 К.

Дизайнеры используют свет от светильников  для создания интерьеров.

Теплый свет светильников

Теплый свет.

ЦТ в диапазоне от 2700 до 3000 К. Напоминает свет ламп накаливания, мягких солнечных лучей. Оттенок не надоедает, не раздражает. Создает теплую уютную атмосферу. Подходит для жилых помещений, библиотек, ресторанов, кафе и др. В квартире идеален для спален,  точечной подсветки. 

Холодный цвет светильников

Холодное освещение.

ЦТ свыше 4500 К. Хорошо подходит для рабочих пространств, учебных помещений, офисов, цехах. Холодный белый цвет создаст чистую продуктивную атмосферу. В квартире его уместнее использовать для подсветки рабочей зоны, ванной комнаты. Не подходит для небольших помещений – свет будет слишком ярким и тревожным.

Нейтральный цвет источников света

Нейтральный свет.

ЦТ в интервале 3200-4500 К. Свет подходит для разных помещений: для гостиных, коридоров, кухни и др. Незаменим в качестве подсветки места, где одеваются и прихорашиваются. Также отлично подходит для учебных помещений и офисов, так как нейтральный свет не создает нагрузку на глаза.

При планировании светового оформления дома помните, теплые тона подчеркивают теплые цвета в помещении. Красный, желтый и оранжевый выигрышнее всего смотрятся при теплом освещении. Синий и зеленый будут казаться блеклыми. Холодные же оттенки подчеркнут зеленые и синие тона, а теплые цвета будут несколько искажены и приглушены.

Как цветовая температура влияет на эмоции

Чем теплее свет, тем лучше чувствует себя человек.

При выборе источника света стоит уделить внимание цветовой температуре. От выбора ламп зависит настроение и самочувствие.

При подборе ЦТ помните, чем она ниже, тем расслабленнее и спокойнее чувствует себя человек. Теплый свет помогает отдохнуть и заснуть. Холодные цвета бодрят, они лучше подходят для работы, повышают концентрацию. Но при постоянном воздействии приводят к бессоннице.

Таким образом, для освещения дома лучше выбирать более теплые оттенки. А для рабочих кабинетов, офисов и цехов – холодные.

Заключение

Цветовая температура важный параметр при освещении рабочих и жилых помещений. При грамотном подборе света комната может выглядеть красиво и гармонично, а глаза и не будут уставать. Используйте наши советы при выборе лампочек и пусть свет вас не тревожит!

Тепловое излучение: что это такое, причины, свойства, спектр, формулы

Тепловое излучение – это электромагнитные волны, испускаемые электрически заряженными частицами в результате их теплового движения в веществе.

Металлические стержни, нагретые в плавильной печи, светятся ярким светом. Это тепловое излучение. Испускают ли тепловое излучение только тела с очень высокой температурой? Оказывается, любое тело с температурой выше абсолютного нуля является источником этого излучения. Почему же мы не видим этого излучения, исходящего от окружающих нас объектов? Ответ вы найдете в этой статье.

Причины возникновения теплового излучения и его свойства

Все тела состоят из атомов или молекул, которые находятся в вечном беспорядочном движении. Даже молекулы твердых тел, “запертые” в кристаллической решетке, совершают хаотические колебания. Это хаотичное движение атомов и молекул называется тепловым движением.

Из-за столкновений и межмолекулярных взаимодействий энергия отдельных молекул постоянно меняется. Они испытывают ускорения и колебания. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Когда заряженная частица движется с ускорением, она излучает электромагнитную волну.

Все тела с температурой выше абсолютного нуля ( -273,15 ℃, 0К ) испускают тепловое излучение. Электромагнитные волны, падающие на тело, могут быть поглощены им.

Чем больше энергии поглощает тело при постоянной температуре, тем больше энергии оно излучает.

Отношение поглощенного и испущенного излучения не зависит от природы тела – для всех тел это одна и та же функция температуры и длины волны.

Почему мы видим тепловое излучение только для сильно нагретых тел, таких как металлический стержень в плавильной печи?

Свет – это электромагнитная волна. Каждому цвету света соответствует своя длина волны. Красный свет имеет наибольшую длину волны, синий и фиолетовый – наименьшую. Белый свет – это смесь всех цветов, которые проявляются в радуге, образующейся при расщеплении белого света на капельках воды в атмосфере (рис. 1.).

Рис. 1. Радуга. Каждому цвету света соответствует своя длина волны, от самой высокой для красного света до самой низкой для фиолетового

Когда вы нагреваете металлический стержень, например, над газовой горелкой, примерно до 500°C, вы заметите, что он начинает светиться красным светом. По мере увеличения температуры стержня цвет света меняется на оранжевый, желтый и затем белый.

Повышение температуры вызывает излучение электромагнитных волн со все более короткой длиной волны. Одновременно с повышением температуры стержень светит все интенсивнее – мы говорим, что увеличивается облученность, т.е.

энергия излучения, выделяемая в течение 1 секунды на 1 м2 поверхности тела.

Все горячие тела светятся. Оказывается, низкотемпературные тела, которые не светятся видимым светом, также испускают излучение, но в диапазоне длин волн больше, чем видимый свет. Это излучение называется инфракрасным излучением. Он невидим для наших глаз, но несет в себе тепловую энергию.

Инфракрасное излучение используется, например, для нагревания тела с помощью специальной инфракрасной лампы (рис. 2.). Мы видим, что лампа светит довольно слабым красным светом, но гораздо более интенсивным является ее излучение в инфракрасном диапазоне, невидимом для нас.

Мы можем ощущать его воздействие только в виде нагрева тела.

Рис. 2. Инфракрасная лечебная лампа испускает тепловое излучение в основном в более длинноволновом диапазоне, чем видимый свет.

Этот пример показывает, что тепловое излучение не ограничивается узким диапазоном длин волн. Тела испускают излучение любой длины волны в очень широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного, но максимум этого излучения приходится на определенный диапазон длин волн, зависящий от температуры.

Так, в инфракрасной лампе максимум излучения приходится на диапазон длин волн, соответствующий инфракрасному излучению, а в других диапазонах излучение намного слабее.

Когда металлический стержень нагревается до красного цвета, в дополнение к красному свету, который мы видим, также испускается инфракрасное излучение, которое ощущается как ощущение тепла.

Дальнейшее повышение температуры приводит к увеличению доли коротких длин волн, в результате чего цвет стержня меняется на желтый, а затем на белый. Стержень по-прежнему излучает красный свет и инфракрасное излучение, но их доля в общем излучении меньше.

Солнечный свет, излучаемый поверхностью Солнца при температуре около 6000 К, содержит видимый свет во всем диапазоне длин волн, а также невидимое для нас ультрафиолетовое излучение (УФ) с длинами волн короче, чем у видимого света. Именно благодаря этому излучению мы загораем.

В чем причина того, что преобладающая длина волны теплового излучения уменьшается с повышением температуры? Повышение температуры означает увеличение средней кинетической энергии молекул и, следовательно, увеличение средней энергии излучения, испускаемого частицами. Чем больше энергия излучения, тем короче длина волны.

Спектр теплового излучения

Изображения, полученные с помощью космического телескопа “Хаббл”, показывают нам необычные, динамичные события во Вселенной.

Одна из них показывает столкновение двух галактик, которые представляют собой огромные скопления многих миллиардов звезд, газа и межзвездной пыли. Столкновение вызвало взрывное образование новых звезд.

Но как мы можем узнать, какие звезды являются молодыми, недавно сформировавшимися, а какие – старыми? Мы получаем эту информацию, анализируя спектры теплового излучения звезд.

Рис. 3. Столкновение двух галактик запечатлено телескопом Хаббл. Источник фото – ESA

Из опыта мы знаем, что тела при очень высоких температурах, такие как жидкий металл или фотосфера Солнца, светятся белым светом.

Если пропустить этот свет через призму, он расщепляется на разные цвета (рис. 4). Каждый цвет соответствует своей длине электромагнитной волны, от 400 нм для фиолетового света до 700 нм для красного.

Разделив белый свет на отдельные цвета, мы получим спектр белого света (рис. 5).

Рис. 4. Свет расщепляется в призме на отдельные цвета, создавая спектр белого света Рис. 5. Спектр белого света

Спектр излучения – это записанное изображение излучения, распределенного по различным длинам волн.

Расщепление белого света показывает, из каких цветов состоит свет, но не дает информации о том, какова мощность излучения во всех последовательных местах цветового спектра.

Для более тщательного изучения спектра излучения необходимо перемещать датчик, например, фотоэлемент, вдоль спектра для измерения мощности для каждой длины волны.

Измеренное количество энергии излучения в определенных диапазонах длин волн света позволяет построить кривую спектрального распределения (рис. 6.).

Рис. 6. Кривая спектрального распределения показывает измеренную энергию излучения в определенных спектральных диапазонах

На рис. 7 показана кривая спектрального распределения солнечного излучения. На вертикальной оси отмечена энергия излучения в интервале длин волн (λ, λ + Δλ), испускаемая в единицу времени, на горизонтальной оси отмечена длина волны излучения λ с диапазоном длин волн видимого света.

Излучение Солнца выходит далеко за пределы этого диапазона. Оно содержит ультрафиолетовое излучение с длиной волны короче, чем у видимого света, и инфракрасное излучение с длиной волны больше, чем у видимого света.

В солнечном излучении содержатся все длины волн видимого света, поэтому мы воспринимаем солнечный свет как белый.

Рис. 7. Кривая спектрального распределения солнечного излучения – зависимость интенсивности излучения от длины волны

Максимум графика находится на длине волны около 500 нм, что соответствует зеленому цвету.

Положение максимума излучения определяется температурой тела, испускающего излучение. Чем выше температура, тем меньше длина волны максимума излучения (рис. 8.).

По этой причине, когда нагретое тело начинает светиться, оно сначала светится красным светом, а по мере повышения температуры цвет меняется на желтый и, наконец, на белый, поскольку увеличивается доля света более коротких длин волн.

Рис. 8. Кривые спектрального распределения теплового излучения для различных температур излучающего тела

Излучение, испускаемое людьми и большинством окружающих нас предметов, не видно, поскольку максимум излучения лежит в инфракрасном диапазоне. Наши глаза не могут воспринимать такое излучение, но его можно обнаружить с помощью тепловизионной камеры, которая регистрирует инфракрасное излучение.

Кривые спектрального распределения теплового излучения для более высоких температур выше, чем для более низких. Это означает, что с увеличением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Область под графиком (см.

рисунок 7) – это мера общей энергии, излучаемой единицей площади тела. Энергия, излучаемая единичной поверхностью, сильно зависит от температуры.

Вот почему тела с очень высокой температурой светятся намного ярче, чем тела с более низкой температурой.

Формулы, которые отражают зависимость теплового излучения от температуры

Итак, максимум кривой спектрального распределения излучения смещается в сторону более коротких длин волн с увеличением температуры.

Длина волны λmax, соответствующая максимуму излучения, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела: λmax = b / T, где b = 2,898 * 10-3 м·К – коэффициент пропорциональности (постоянная Вина). Эта формула называется законом смещения Вина.

Анализ графиков на рис. 8 позволяет сделать еще один вывод. Мы видим, что кривые для более высоких температур лежат все выше и выше.

Это означает, что с повышением температуры тела общая энергия излучения увеличивается. Эти отношения очень прочные. Энергия излучения прямо пропорциональна T4.

Зависимость энергии излучения от температуры, называемая законом Стефана – Больцмана, имеет следующий вид: E = σ * T4 , где

где E – энергия, излучаемая с единицы площади тела и в единицу времени, T – температура по шкале Кельвина, и σ – постоянная Стефана — Больцмана, которая равна: σ = 5,67 – 10-8 Вт / (м2 · К4).

Знание кривой спектрального распределения позволяет определить температуру далекого светящегося объекта. Если мы определим длину волны, соответствующую максимуму кривой, затем, после преобразования формулы Вина, получаем значение температуры объекта: T = b / λmax .

Таким образом, не покидая Земли, определяется температура Солнца и других звезд. Оказывается, наше Солнце излучает так, что кривая спектрального распределения соответствует температуре около 5800 К – средней температуре поверхности Солнца.

Если мы знаем расстояние до звезды, мы можем вычислить ее диаметр на основе анализа теплового излучения.

Интенсивность излучения уменьшается с расстоянием, но, зная расстояние, мы можем рассчитать полную энергию, излучаемую звездой.

Теперь достаточно разделить общую энергию на энергию, излучаемую на единицу площади, полученную из закона Стефана-Больцмана, чтобы получить площадь диска звезды, с которой излучение достигает нас.

Список использованной литературы

1. Ташлыкова-Бушкевич И. И. Физика. Уч. пособие. В 2 ч. Ч. 2. Минск, 2008.
2. Савельев И. В. Курс общей физики. — Т. 3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц.
3. Kuenzer, C. and S. Dech (2013): Thermal Infrared Remote Sensing: Sensors, Methods, Applications (= Remote Sensing and Digital Image Processing 17). Dordrecht: Springer.
4. Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М. : Просвещение, 2010. — 399 с.

Оптические свойства материалов. Температурная зависимость поглощательной способности металла. Окраска кристаллов, страница 3

Все металлы являются оптически непрозрачными, поэтому
их  оптические свойства определяются отражательной и поглощательной способностью.
Показатели поглощения металлов располагается на восходящем участке частотной
зависимости (участок ВС, рис. 10.1), т.е. с повышением частоты (или уменьшением
длины волны) света поглощательная способность металла увеличивается.

В видимой
области спектра показатель поглощения металлов достигает величины порядка
единицы. Следовательно, интенсивность света резко убывает по глубине. Так,  для
золота при нормальном падении электромагнитной волны на поверхность
интенсивность света на глубине равной  длине волны убывает на 2.1015
раз.

Пленки на поверхности металлов  толщиной порядка длины волны, как правило,
уже практически не прозрачны для света.

Комплексная относительная диэлектрическая
проницаемость металла представляется в виде

где 
ε – вещественная относительная диэлектрическая проницаемость; ε0 –
электрическая постоянная; γ – удельная электропроводность; ω – частота света; .

Оптические свойства металла характеризуются
комплексным показателем преломления

где

Действительные величины n и ξ  являются оптическими характеристиками металла.
Они зависят о природы металла и частоты падающего света. Мнимая часть
комплексных показателей преломления характеризует поглощение света в металле,
происходящие в соответствии с законом Бугера-Ламберта. Она связана с линейным
коэффициентом поглощения соотношением

где 
с – скорость света в вакууме;  λ0 – длина волны света в вакууме.

Коэффициент отражения связан с оптическими
характеристиками материала следующим соотношением, известным как формула
Френеля

Таблица 10.1

Оптические постоянные некоторых металлов при λ = 600
нм

Металл	n	χ0	R
Натрий Серебро Магний Золото Ртуть Медь Никель Железо Алюминий Кадмий Свинец	2,61 3,64 4,42 2,28 4,41 2,62 3,32 1,63 5,23 5,01 3,25	0,05 0,18 0,37 0,37 1,62 0,64 1,79 1,51 1,44 1,13 4,46	97,5 95,1 93,1 84,9 75,4 73,2 62,0 32,6 83,0 84,0 54,0

В таблице 10.1 приведены оптические постоянные для
ряда металлов при длине волны 600 нм.

Отражение и поглощение электромагнитной волны
формируется не на границе раздела, а в веществе. При этом для непрозрачных
твердых тел доля падающего монохроматического излучения, поглощенного телом, определяется
его поглощательной способностью

Отражательная и поглощательная способность металла
существенно зависит от структуры материала, наличия примесей и дефектов
кристаллического строения.

Учитывая, что оптические свойства металла определяются
его электрическими свойствами (удельной электропроводностью и диэлектрической
проницаемостью), то влияние структурных факторов необходимо рассматривать по их
роли в формировании электрических свойств. С повышением степени чистоты металла
его поглощательная способность увеличивается.

10.3.  Температурная зависимость поглощательной способности металла.

С повышением температуры частота электронной релаксации
увеличивается. Показатель преломления меняется по более сложной зависимости.
Вначале он возрастает до максимальной величины, а затем незначительно
снижается. Показатель поглощения с повышением температуры снижается.

В
результате с повышением температуры имеет место общая закономерность,
заключающаяся в том, что отражательная способность металла уменьшается, а
поглощательная растет.

Тем не менее, необходимо отметить, что в отдельных
случаях, когда существенным становится межзонного поглощение, могут возникать
ситуации независимости поглощения от температуры или даже падения.

Цвета побежалости металлов

Цвета побежалости – спектр цветов, образующихся на поверхности железных сплавов в результате появления окисной пленки. Они образуются при нагревании поверхностей из металла до определенных температур без участия воды. Цвета побежалости являются дефектом сварного соединения.

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.

Шкала цветов побежалости стали

Окрас углеродистых деталей при соответствующих температурах указан в следующей шкале цветов побежалости стали:

Температура цветов побежалости для углеродистых сталей

Окрас	Пределы температур, °С
Лимонный	220 – 229
Желтый (цвет соломы)	230 – 245
Золотой	246 – 255
Земляной или коричневый	256 – 264
Алый или красно-оранжевый	265 — 274
Пурпурный	275 – 279
Аметистовый	280 – 289
Небесный	290 – 294
Твиттера	295 – 299
Индиго Крайола	300 – 309
Светло-голубой	310 – 329
Аквамариновый	320 — 339

На заготовках из нержавеющей стали12Х18Н10Т, содержащей 18% хрома, 10% никеля и 1% титана (значения определены в ГОСТ 5632-2014), цвета побежалости образуются при иных температурах.

Это обусловлено тем, что данный материал коррозийно-стойкий и жаропрочный.

Поэтому при закалке и охлаждении мельчайшие частицы металлов и кислорода взаимодействуют медленнее, что препятствует образования оксидной пленки во время закалки и каления.

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

Температура цветов побежалости для нержавеющих сталей

Окрас	Пределы температур,°С
Светло-соломенный	300 – 399
Золотистый	400 – 499
Земляной или коричневый	500 – 599
Красный или пурпурный	600 – 699
Синий или черный	700 – 779

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.

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.

Побежалость на трубе

Причины изменения оттенка

Изменение цвета при нагреве говорит о том, что на поверхности нагреваемого материала образуется оксидная пленка толщиной в несколько молекул. Окраска изменяется в зависимости от ее плотности, толщины. Чем больше размер и плотность окислов, тем значительнее будет отличаться цветовой тон от изначального.

Некоторые люди считают, что цветовой тон побежалостей может точно сказать о градусе разогрева, но это ошибочное утверждение. На появление разных оттенков влияет время, скорость нагрева, содержание различных примесей, характер освещения. Если говорить про легированные стали, то их нужно разогреть сильнее.

Происхождение

Цветовой тон побежалостей относится к интерференционным цветам. Визуально они изменяются при различном освещении и угле обзора. Также на изменение расцветки материала влияют физические и химические свойства металла.

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. Окрас нагрева поверхности металла не является точным индикатором температуры.

Оптические эффекты

Цветовой тон 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.

Цветовой тон от нагрева

Где появляются?

Изменение оттенка происходит при окислении, которое возникает благодаря разогреванию металла. В процессе нагрева цветовые тона меняются в одной последовательности, но с разными скоростями (в зависимости от увеличения температуры и длительности нагрева).

Благодаря тому, что известна закономерность изменения окраски, в прошлом кузнецы ориентировались на этот факт, чтобы знать, как меняется температура. С развитием технологий появился пирометр.

Цветовые тона для стали

Изменение оттенка побежалостей для углеродистой стали в зависимости от градуса нагрева:

• соломенный — после 220;
• коричневый — до 240–250;
• малиновый — 250–270;
• фиолетово-синий — от 300;
• серый — от 350.

Если используется легированная сталь, изменения окраса необходимо ждать при дальнейшем повышении градуса нагрева.

В природе

Помимо стали, в условиях дикой природы встречаются минералы, на которых образуется тонкий слой оксидной пленки. Цвет побежалостей в этом случае может быть золотистым, красным, синим, зеленоватым.

Красный цвет побежалости у природных минералов может быть вызван большим количеством хромофоров, содержащихся в его составе.

Фиолетово-синий цвет может возникнуть из-за концентрации ионов переходных металлов.

Из-за оттенка пленки природный окрас минерала не видно. Если стекло или монета долго пролежит под слоем грунта, на их поверхности образуется пленка, которая может изменить цвет поверхности предмета.

Радужные оттенки возникают из-за наличия жировой пленки. Также окрас поверхности стали изменяется из-за высохшей на нем воды с минералами.

Окрас изменяется по определенной закономерности, однако, это не является точным индикатором температуры. Проводя работу по обработке металла, нужно использовать пирометр.