7.5.2. Холоднодеформированные стальные изделия

К наиболее распространенным холоднодеформированным стальным изделиям относятся , прежде всего, крепежные изделия – болты, гвозди, шурупы, скобы; бывают холоднодеформированные трубы; холоднодеформированными являются штампованные корпуса холодильников, стиральных машин и другой бытовой техники, автомобилей и т.п.

Обработка изделий в процессе их изготовления методом холодной деформации (холодной штамповки, высадки, волочения) приводит к изменению структуры металла, сплава (в данном случае – стали) и соответствующему изменению его физико-механических свойств. Металл приобретает упрочнение, так называемый наклеп, но при этом находится в термодинамически неустойчивом состоянии. Он стре­мится перейти в исходное состояние, но при нормальной температуре это ему не удается. Реализуется стремление к переходу в исходное состояние при нагреве металла, в частности, в ходе пожара.

При нагреве холоднодеформированных стальных изделий в них протекают так называемые дорекристаллизационные и рекристаллизационные процессы (возврат - полигонизация - рекристаллизация), при этом последовательно меняется структура изделия, а также его структурочувствительные физико-механические характеристики. Возникает равновесная структура, и металл как бы возвращается в прежнее (присущее ему до обработки холодной деформаци­ей) состояние (рис.7.9).

Ценной для эксперта особенностью рекристаллизационных процессов является то обстоятельство, что в отличие от свойственных металлу фа­зовых переходов, они протекают не при фиксированной температуре, а в довольно широком интервале температур. Чем выше температура и больше продолжительность нагрева, тем полнее протекает процесс рекристаллизации. И, если опре­делить с помощью какого-либо инструментального метода степень рекрис­таллизации каждого изъятого с места пожара холоднодеформированного из­делия, то можно было бы оценить степень термических поражений конс­трукций в зонах пожара, откуда взяты на исследование данные изделия.

Сделать это можно несколькими методами.

Определение твердости (микротвердости).

Выше отмечалось, что одной из структурочувствительных характеристик является твердость изделия. У холоднодеформированного изделия она выше, у рекристализованного – ниже. Вспомним гвоздь, побывавший в печке или на пожаре; в результате нагрева и прошедшей рекристаллизации он становит­ся мягким, легко гнется, и забить его в дерево уже довольно сложно.

Существуют специальные методы опре­деления твердости и приборы - твердомеры и микротвердомеры.

К сожалению, твердость - не самая удачная характеристика для оценки степени термических поражений холоднодеформированных изделий. Определять ее довольно трудоемко; кроме того, твердость резко меняется при 500-600 ⁰С (рис.7.8), мало изменяясь в прочих температурных диапазонах. Это плохо для выявления зон термических поражений; лучше определять характеристику, более плавно меняющуюся в широком интервале температур.

Рис.7.9. Изменение структуры стали при холодной деформации и при нагреве (в ходе рекристализации).

Определение коэффициента формы

В процессе рекристаллизации меняется форма зерна металла; из вытянутой она становится равноосной (рис.7.9). Поэтому в качестве количественного критерия для оценки степени рекристаллизации можно использовать величину, называемую коэффициентом формы. Это соотношение раз­меров зерен металла по горизонтали и вертикали, определяемое на шлифе холоднодеформированного изделия под микроскопом. У болтов из Ст.3 этот коэффициент по экспериментальным данным меняется при нагреве следующим образом:

исходный болт - 0,33;

после нагрева при 600 ⁰С - 0,49;

после нагрева при 700 -900 ⁰С - 0,82-0,89.

Магнитные исследования

Одной из наиболее структурочувствительных характеристик у ста­лей является коэрцитивная сила - величина напряженности магнитного по­ля, которая необходима для полного размагничивания предварительно намагниченного стального изделия. Величина коэрцитивной силы (или пропорционального ей тока размагничивания) при рекристаллизации холоднодеформированных стальных изделий последовательно уменьша­ется. Причем происходит это в достаточно широких температурных преде­лах - от 200 до 600-700 ⁰С (рис.7.10) Это обстоятельство дает воз­можность, исследуя рассредоточенные по месту пожара холоднодеформиро­ванные изделия, выявлять там зоны термических поражений.

Рис.7.10. Изменение твердости по Бринелю (НВ) и тока размагничивания (Jр) холоднодеформированного изделия (болт М8) при нагревании в динамическом режиме.

Скорость нагрева: 1,3 - 8 град./мин,

2 - 4,5 град./мин.

Исследование проводится с помощью приборов, называемых коэрцити­метрами (КИФМ-1, КФ-3М (рис. 7.11), структуроскоп МФ-31КЦ и др.). Приборы указан­ных типов состоят из основного (измерительного) блока и выносного дат­чика- преобразователя.

Исследование можно проводить как в лабораторных, так и в полевых условиях, непосредственно на месте пожара.

На месте пожара нужно найти однотипные холоднодеформированные ме­таллоизделия, рассредоточенные по зоне пожара. Как отмечалось выше, это могут быть болты, гвозди, шурупы, строительные скобы, некоторые виды труб (изготовленные методом холодной деформации) и др. изделия. Длина изделия должна быть не менее 40 мм (таково расстояние между полюсами датчика-преобразователя у коэрцитиметра).

Особая подготовка поверхности изделия перед измерением не требуется - надо счистить лишь остатки краски и пузыри окалины.

Рис. 7.11. Коэрцитиметр КФ-3М.

Преобразователь устанавливается на изделие, и после нажатия кнопки "измерение" прибором автоматически осуществляется цикл "намагничивание - размагничивание" и определяется коэрцитивная сила. Обычно на одном изделии проводится 6-10 параллельных измерений, после чего рассчитыва­ется среднее арифметическое значение коэрцитивной силы. Все это занимает 5-7 минут времени.

Результаты измерений коэрцитивной силы изделий, рассредоточенных по месту пожара, наносятся на план места пожара, после чего вычерчива­ются зоны термических поражений, как при ультразвуковом методе иссле­дования бетона и железобетона.

Как и ультразвуковой метод, метод измерения коэрцитивной силы - сравнительный. Поэтому, отметим еще раз, исследовать надо однотипные изделия, одних размеров и, желательно, одной партии.

В качестве примера приведем исследование пожара, произошедшего на крупном складе промышленных товаров в середине восьмидесятых годов в одном из городов Сибири. Склад - бревенчатое одноэтажное здание - сгорел практичес­ки полностью; сохранились лишь нижняя обвязка и лаги пола. Чтобы установить место расположения очага пожара, из лаг пола извлекли гвозди.

Гвозди (150х5 мм) были забиты в половые доски, которыми последние были прибиты к лагам. Гвозди на исследование отбирались из лаги, проходящей примерно по центру всех четырех секций хранилища (рис.7.12). Коэрцитивная сила измерялась в верхней половине гвоздей. Результаты измерения коэрцитивной силы нанесли на план помещения. По результатам прослеживается три зоны наибольших термических пораже­ний. Они расположены примерно по центру секций 2,3,4. (рис.7.12). Даль­нейшее расследование показало, что именно в этих зонах находились оча­ги пожара, устроенные поджигателями.

Рис.7.12. Зоны термических поражений (очаговые зоны), выявленные по результатам измерения тока размагничивания.