При какой температуре сталь теряет свойства

Методы исследования термических поражений изделий из металлов и сплавов.

Деформация – один из самых низкотемпературных процессов, происходящих с металлическими изделиями на пожаре.

Нагрев стали свыше 300-350 оС приводит к повышению ее пластичности и сопровождается снижением прочности и появлением заметных деформаций. При 500-600 оС прочность углеродистой стали снижается вдвое, деформации нагруженных элементов стальных конструкций становятся значительными по величине и 15-20 минутный нагрев может привести к их обрушению. При 1000 оС прочность стали снижается в 10 раз.

Помимо стали несущие конструкции изготавливаются также и из алюминиевых сплавов. Температура потери несущей способности конструкций из алюминиевых сплавов составляет 250 оС.

Разумеется, при этом конструкция не разрушается полностью. Она просто перестает выполнять свою функцию выдерживать нагрузку других конструктивных элементов здания или сооружения. В первую очередь она гнется, деформируется. Эти деформации при осмотре места пожара необходимо оценивать количественно. Оценка величины и направленности деформаций дает важную информацию об относительной интенсивности и направленности теплового воздействия в различных зонах пожара.

По направлению деформации металлических элементов можно судить о направлении наибольшего теплового потока. Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как правило, в сторону наибольшего нагрева.

Величина деформации металлической конструкции пропорциональна температуре и длительности ее нагрева. Однако часто наибольшая деформация наблюдается не там, где имело место наибольшее тепловое воздействие. Она может быть связана с более высокой нагрузкой, испытываемой конструкцией. Например, чаще всего стальная балка перекрытия имеет наибольшую деформацию посередине пролета, что вовсе не означает, что именно в этой точке был наиболее интенсивный нагрев. В этом месте на балку действует наибольший изгибающий момент. Количественно сравнивать между собой можно лишь рассредоточенные по месту пожара однотипные и одинаково нагруженные конструкции. Такую сравнительную оценку необходимо рассматривать как важный признак направленности распространения горения.

Для количественной оценки степени деформации, рассчитывают так называемую величину относительной деформации, представляющую собой отношение величины абсолютной деформации к длине участка конструкции, на которой эта деформация наблюдается (b/l) (рисунок).

Если деформация наблюдается на нескольких однотипных конструкциях, то сравнительные данные об относительной деформации характеризуют распределение зон термических поражений на месте пожара и относятся к группе последовательно нарастающих (убывающих) термических поражений.

Ярко выраженные и значительные по величине локальные деформации металлоконструкций на отдельных участках, относящиеся к группе произвольно расположенных термических поражений 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 иного логического объяснения оно должно рассматриваться как признак очага пожара.

Окислы на поверхности стальных изделий.

На гладких отполированных поверхностях стальных изделий, нагретых до температуры 200-300 оС можно визуально различить так называемые цвета побежалости. Они представляют собой пленки окисла микронной толщины и окрашены за счет интерференции света в разные цвета в зависимости от толщины слоя окисла. Толщина слоя, в свою очередь, увеличивается с увеличением температуры нагрева. Примерная цветовая шкала цветов побежалости на сталях выглядит следующим образом (рис. 7).

При нагреве металла  возрастает подвижность атомов, увеличивается амплитуда колебаний, ослабляются межатомные связи, облегчается обмен местами и переход атомов в новые положения. Все это существенным образом влияет на изменение физико-химических и механических свойств металлов и сплавов.

Вольфрам и молибден промышленной чистоты не пластичны при комнатной температуре. Переход вольфрама из хрупкого состояния в пластичное колеблется в интервале температур 150-450° С, причем разрушение носит главным образом межкристаллитный характер. Молибден в зависимости от чистоты переходит из хрупкого в пластичное состояние в интервале температур 20-300° С.

На температуру перехода наряду с другими факторами влияет размер зерна в металле: чем мельче зерно, тем ниже температура этого перехода. Ниобий и тантал обычной чистоты обладают хорошей пластичностью при температурах ниже комнатной.

При нагреве до высоких температур заметно изменяются физико-механические свойства тугоплавких металлов. Поскольку механические свойства тугоплавких металлов при высоких температурах зависят от среды испытаний, в данном разделе приводятся свойства, полученные испытанием в нейтральной среде или в вакууме.

Сравнение высокотемпературной прочности нелегированных вольфрама, молибдена, ниобия и тантала показывает, что вольфрам отличается наибольшей прочностью при всех температурах, в то время как тантал занимает среднее по прочности место между ниобием и молибденом.

Образцы были изготовлены из прокатанного и полностью рекристаллизованного материала. В зависимости от содержания примесей абсолютные значения могут несколько меняться, но характер кривых принципиально остается одинаковым.

Кривые показывают интенсивное увеличение предела текучести вольфрама при понижении температуры от 350 до 175° С, т. е. в интервале перехода из пластичного состояния в хрупкое. Примерно в этом же интервале температур резко увеличивается удлинение, а прочность снижается более равномерно. Снижение твердости происходит одинаково как для наклепанного, так и для отожженного металла. Твердость вольфрама и молибдена при нагреве до 327° С резко падает, однако при дальнейшем повышении температуры твердость изменяется с меньшей интенсивностью.

Представляет интерес изменение механических свойств полуфабрикатов тугоплавких металлов при высоких температурах после деформации. Например, прочность молибденовой проволоки диаметром 0,6 мм с повышением температуры падает, но даже при температуре 1400° С остается высокой и составляет 500 Мн/м2 (50 кГ/мм2). Прочность этой же проволоки при комнатной температуре после деформации ~90-95% составляет 1150 Мн/м2 (115 кГ/мм2).

С уменьшением содержания примесей предел прочности понижается почти в два раза при всех температурах, оставаясь все же значительным по величине 140 Мн/м2 (14 кГ/мм2) даже при 1500° С. Одновременно повышается пластичность, достигая при 1500° С 50,8%. Зависимость твердости ниобия от температуры приведена на рис. 45. С повышением температуры твердость ниобия резко снижается. При температуре 1173° С на кривой твердость — температура у литого ниобия наблюдается максимум, а у металлокерамического ниобия три максимума — при 777, 927 и 1127° С.

Дальнейшее повышение температуры вызывает понижение твердости, и при 1850° С твердость металлокерамического и литого ниобия совпадает и составляет небольшую величину: при 2027° С • 1 Мн/м2 (0,1 кГ/мм2), а при 2127° С всего 8,2 Мн/м2 (0,82 кГ/мм2).

Примечание. Тантал листовой толщиной 1,27 мм получен из штабика с содержанием примесей, % (по массе): 0,02 С; 0,013 N2; 0,056 02; 0,1 Nb; 0,01 W; 0,015 Fe.

Влияние температуры на изменение механических свойств тантала приведено. При температуре 400° С наблюдается «пик», вызванный процессом деформационного старения. — Твердость тантала при повышении температуры также снижается.

Важным показателем является удельная прочность тугоплавких металлов при высоких температурах. На рис. 46 показано изменение удельной прочности вольфрама, молибдена, ниобия и тантала в зависимости от температуры. До температуры 1320°С ниобий и молибден имеют значительное преимущество по удельной прочности по сравнению с вольфрамом и танталом, а выше этой температуры наибольшую удельную прочность имеет вольфрам.

Одной из характеристик тугоплавких металлов при высоких температурах является ползучесть или свой ство металла пластически деформироваться при высоких температурах под действием постоянных напряжений. Для оценки ползучести (жаропрочности) металла образцы испытывают при температуре под действием постоянных напряжений и определяют изменение длины в зависимости от времени. На основании исследования строят кривую текучести.

При этом определяют: а) предел текучести — напряжение, вызывающее при данной температуре определенную, допустимую для нормальной работы конструкции скорость или значение деформации. Например, 0,1% за 100 ч, 0,2% за 1000 ч и т. д.;

б) предел длительной прочности- напряжение, приводящее при данной температуре к разрушению за данный период времени — 100, 200, 20 000 чит.д.

Длительная прочность некоторых тугоплавких металлов при 1095°С показана на рис. 48. Как видно, ЮО-ч прочность рекри-сталлизованного молибдена дуговой плавки составляет 84 Мн/м2 (8,4 кГ/мм2), а прочность вольфрама при этих условиях почти в два раза превышает прочность молибдена и равняется 155 Мн/м2 (15,5 кГ/мм2).

Пластические, технологические и другие свойства тугоплавких металлов заметно изменяются под воздействием термической обработки. Основным видом термической обработки является отжиг, который подразделяют на три вида: гомогенизацию, возврат, полный рекристаллизационный отжиг.

Гомогенизация — это такой вид отжига, который применяется для дегазации и устранения химической и структурной неоднородности слитков, деформированных заготовок и полуфабрикатов. Гомогенизирующий отжиг часто применяют для слитков и прессованных изделий из вольфрама, молибдена и ниобия. Для этого слитки длительно нагревают перед обработкой при температурах, близких к началу оплавления. Вследствие высокой подвижности атомов (диффузии) при таком нагреве структура слитка становится более однородной.

Например, слитки ниобия, выплавленные в дуговых печах и содержащие значительное количество примесей, при неоднородной структуре подвергают отжигу при 1800-2000° С в вакууме 13,3-1,33 мн/м2 (10-*- 10~5 мм рт. ст.) и выдерживают до 10 ч. Такой отжиг приводит к уменьшению газосодержания в слитке. Одновременно с дегазацией происходит растворение избыточных фаз и структура становится более однородной. Однако следует учитывать, что длительный отжиг ниобия при высоких температурах приводит к росту зерна в слитках.

Гомогенизирующий отжиг прессованных и кованых заготовок из ниобия производят при температуре 1350- 1450° С, когда происходит заметное растворение карбидных и других фаз, и в то же время не наблюдается сильного роста зерна. Гомогенизация заготовки благоприятно сказывается на технологических свойствах при последующей обработке.

Возврат или неполный отжиг применяют для частичного снятия остаточных напряжений, искажений кристаллической решетки, возникающих в заготовках и изделиях при различных операциях обработки давлением. В результате такого процесса повышается пластичность металла. Микроструктура металла не изменяется.

Степень возврата зависит от температуры, скорости и степени предварительной деформации, продолжительности и температуры отжига. При возврате, по мнению многих исследователей, число дислокаций не изменяется, а изменяется преимущественно их распределение, которое становится более равномерным.

Рентгеноструктурные исследования деформированного ниобия показывают, что в металле имеются значительные остаточные напряжения и сильно выраженная текстура (наличие на рентгенограмме размытых линий). Это состояние сохраняется и после получасового отжига при 900° С. Отжиг при 1000° С в течение получаса приводит к значительному снятию напряжений в решетке (уменьшение толщины размытых линий на рентгенограмме).

Однако при указанном времени отжига повсеместного снятия напряжений еще не происходит (отдельные линии остаются размытыми), на кольцах рентгенограммы сохраняются текстурные уплотнения, характеризующие предпочтительную ориентировку зерен в металле. После двухчасовой выдержки при 1000° С возврат практически полностью заканчивается, все линии рентгенограммы становятся четкими с хорошо выявленным дублетным строением. Рефлексов от рекристаллизованных зерен не наблюдается. Таким образом, нагрев при 1000° С в течение 2 «является оптимальным режимом для отжига-возврата деформированного ниобия.

Ниобий, отожженный по указанному режиму, имеет следующие механические свойства:— ав = 560 Мн/м2 (56 кГ/мм2); ат = 480 Мн/м2 (48 кГ/мм2); 6 = 17%, тогда как в исходном деформированном состоянии ав = = 650 Мн/м2 (65 кГ/мм2); ат = 570 Мн/м2 (57 кГ/мм2); 8=7%.

Отжиг-возврат рекомендуется применять к изделиям и полуфабрикатам, предназначенным для работы при температурах ниже температуры рекристаллизации.

Рекристаллизационный отжиг применяют как промежуточный процесс между операциями холодной обработки (для снятия наклепа и устранения текстуры) или как окончательную операцию термообработки, (для придания полуфабрикатам или изделиям необходимых свойств).

Физическая природа рекристаллизации состоит в том, что при увеличении температуры деформируемого металла поднимается энергетический потенциал атомов так, что последние получают возможность перегруппировок и обмена местами. С. С. Горелик определяет рекристаллизацию как процесс повышения структурного совершенства и уменьшения свободной энергии металлов и сплавов в пределах данной фазы, совершающийся путем возникновения и движения (или только движения) границ с большими углами ориентировки. Это наиболее полное определение процесса, охватывающее все его стадии.