При какой температуре краснеет сталь

Цвета побежалости металла

Экспериментальная мастерская Виктора Леонтьева. Разное из металловедения

Приветствую вас, коллеги и господа мастеровые. Я расскажу о старинном методе измерения температуры стальных предметов по внешним признакам. Приборов для точного измерения температуры различных объектов в наше время существует предостаточно. Для измерения температур контактным методом используются термометры. А для контроля нагрева на расстоянии, то есть, бесконтактно, используются пирометры с различными конструкциями и техническими характеристиками.

И все же, занимающимся металлообработкой надо обязательно уметь определять температуру стальных изделий. Пусть приблизительно, но оперативно и без приборов.

Цвета побежалости

При нагревании некоторых металлосплавов до определенных температур окисные пленки на их поверхностях могут приобретать различные цвета.

Такие цвета и их оттенки характерны для температур, вызвавших их появление, называют цветами побежалости.

Более выразительно цвета побежалости проявляются на сталях: углеродистых, легированных и нержавеющих. Мы понаблюдаем за возникновением цветов побежалости при нагреве газовым пламенем листа из низкоуглеродистой стали. Обозначенное место на поверхности листа, под которым находится источник нагрева, я буду называть точкой нагревания. Заметно, что естественный цвет стали в точке нагревания изменился на светло желтый.

Это означает, что температура материала в этом месте достигла примерно 205 С. По мере дальнейшего повышения температуры, светло желтая область от точки нагревания, как видно, отдалилась. А ее место приобрело темно желтый цвет, с присущей ему температурой 240 С. Пятно общего прогрева расширяется. Цвета побежалости выстраиваются вокруг точки нагревания в характерном порядке, указывая до какой температуры нагрелся материал, в занимаемой каждым из них области. При более плавном нагревании цветотемпературные области будут расширенными. Как на данном образце среднеуглеродистой стали, на котором их осмотр и продолжим. Если не принимать во внимание цветовые оттенки, наблюдаемые в очень узком расположении, насчитываются девять убедительно выраженных цветотемпературных областей, в число которых область с естественным цветом стали не входит. Далее, поочередно к каждой из девяти цветотемпературных областей будет подводиться шаблон, цвет и оттенок которого наиболее сходен с цветом этой области.

На шаблоне указан диапазон температур и среднее значение, которое присуще данному цвету побежалости на поверхности углеродистой стали.

Однажды появившись, цвета побежалости после охлаждения не исчезают. По их наличию можно, например, определить что деталь или инструмент эксплуатировались с некими нарушениями, что и привело к их перегреву. Цвета побежалости на легированных, нержавеющих и жаропрочных сталей такие же. Однако, они проявляются при более высоких температурах, значения которых зависят от содержания легирующих элементов.

Цвета каления

При продолжении нагревания на смену цветам побежалости приходят цвета каления.

Поскольку каление представляет из себя свечение материала, объективная оценка самых темных его цветов, возможна только в темноте. А более светлых, как минимум, при затемнении. Первый, различимый глазом цвет каления красновато-коричневый, означающий, что температура каления в области его проявления находится в диапазоне 530 – 580 градусов по Цельсию. В отличие от цветов побежалости, цвета каления при охлаждении не сохраняются, а изменяются в обратном порядке.

Если на поверхности образовалась окалина, ее цвет возвращается к светло серому оттенку. При нагревании магнитных, железоуглеродистых сплавов выше 768 С их магнитные свойства исчезают. И появляются вновь, после охлаждения ниже этой температуры.

Это явление можно использовать как дополнительное средство контроля температур. Цвета каления отражают температуру нагрева не только металлических тел, но и не металлических тоже. Например, изделий из керамики, графита и других.

Метод измерения температур по цветам побежалости и каления

Методом измерения температур по цветам побежалости и каления с давних времен успешно пользовались металлурги, кузнецы, термисты, а так же представители других профессий, включая станочников. Для измерения температуры этим методом, используются таблицы, в которых собраны шаблоны цветов побежалости и каления с описанием их оттенков и указанием значения температур, приводящих к появлению каждого из них.

Имеющие постоянную практику мастеровые и специалисты, таблицами, обычно не пользуются. Поскольку все цветовые оттенки и значения температур, связанные с их проявлениями, они знают на память. Когда же постоянной практики в этой области нет, полагаться на память, особенно на цветовую, пожалуй, не стоит. Путем визуального сравнения из той или иной таблицы, выбирается шаблон, цвет которого более похож на цвет контролируемой области объекта. Акцентирую ваше внимание на том, что при сравнении цветов шаблона и объекта, ожидать их полного, до идентичности совпадения, не следует.

Достаточно именно похожести их цветовых оттенков. И тогда можно считать, что температура равномерно прогретого объекта, находится в диапазоне значений, указанных на цветовом шаблоне.

Часто на поверхности объекта проявляются сразу два смежных цвета. Не сложно догадаться, что температура этого объекта находится между средними значениями температур, указанными на обоих шаблонах. В сравнении с приборными измерениями, точность этого метода, конечно, меньшая. И все же, во многих случаях применения, например, при выполнении не особо ответственной закалки или отпуска, точности цветового метода вполне хватает. Что же касается обработки резанием, когда по цветам побежалости на движущейся стружке контролируется расстояние режущей кромки, причем, в разных ее точках, замены этому старому методу, пожалуй, не найти. Таблиц с цветами побежалости и каления в литературе и интернете опубликовано достаточно. Их интерпретации отличаются по форме и по содержанию, к сожалению, тоже. В отличие от большинства из них цвета, используемые в этом видео уроке шаблонов, выверены с помощью компьютера по реальным цветам каления и по цветам побежалости углеродистых сталей. Указанные на шаблонах названия цветовых оттенков условные. А их точная идентификация осуществима по указанному ниже так называемому цветовому коду html.

По этому коду, введенному в поиск, цвет любого их шаблонов легко найти в интернете. Готовые таблицы с цветовыми шаблонами для загрузки в мобильное устройство или для печати, можно скачать с сайта проекта. Возможные причины погрешностей при измерении температур Надо учитывать, что на цветовосприятие влияет общая освещенность помещения, а так же ее цвет, который может быть естественным, белым или желтоватым, исходящим от ламп накаливания. Это касается тех случаев, когда пытаются оценить цвета, полагаясь на память. При измерении температур по цветам побежалости, надо понимать, что ими отражается температура именно на контролируемой поверхности. А это не всегда соответствует температуре всей массы нагретого предмета. Если стоит задача нагреть предмет до определенной температуры, с контролем по цвету побежалости, его надо прогревать не через одну какую-то точку или поверхность, а равномерно, со всех сторон. Равномерность прогрева контролируется так же и по цветам каления. Одинаковый цвет накала в разных точках какой-либо области объекта свидетельствует о ее равномерном прогреве. И наоборот. Отслаивающаяся от раскаленной основы окалина охлаждается и нагревается быстрее, чем массив основы, что вносит искажение в реальный цвет поверхности. Это надо учитывать.

Металловедение

На прошлых выходных мы ездили с друзьями на берег Финского залива. Естественно, не обошлось без шашлыков: купили одноразовый мангал, мясо, овощей, напитков всяких разных и поехали.
По мере приближения к пляжу гул в наших животах все нарастал и вскоре хором просто заглушил звук двигателя машины. В общем, есть хотелось очень.

Наконец-то прибыли мы на пляж и первым же делом принялись собирать мангал, засыпать угли, разжигать в мангале огонь, насаживать мясо и т.д. Через некоторое время горения розжига и углей наверняка все наблюдали картину, которую увидел и я, и которая, собственно, и натолкнула меня на мысль написать эту статью.

Наш новенький блестящий мангал таковым быть постепенно переставал, и в некоторых местах на его бывшей блестящей поверхности появилась радуга!

Эти радужные цвета можно наблюдать на блестящей поверхности стальных предметов, подвергнутых нагреву, и называются они «цветами побежалости«.
Цвета эти образуются из-за того, что в результате нагрева стали до высоких температур происходит окисление её поверхности с образованием тонкой прозрачной оксидной плёнки, которая в зависимости от своей толщины отражает свет по-разному, в результате мы наблюдаем тот или иной цвет побежалости. В местах, где температура нагрева была выше, толщина оксидной плёнки, соответственно, больше, т.к. при более высоких температурах скорость диффузии больше и глубина проникновения атомов кислорода больше; более толстые оксидные плёнки поглощают световые волны с большей длиной волны, отражают — с меньшей.

Возьмём, к примеру, наш мангал, и выберем две области: жёлтую (1) и синюю (2).

Как было сказано, 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 (закройте левую часть радуги, что приведена выше), 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!

style=»display:inline-block;width:468px;height:60px»
data-ad-client=»ca-pub-9341405937949877″
data-ad-slot=»1069775344″>

Раньше кузнецы при проведении отпуска закалённой стали ориентировались именно на цвета побежалости. Давайте и мы попробуем примерно определить температуру двух выбранных ранее областей мангала (желтой и синей).
На формирование цветов побежалости стали оказывает влияние много факторов: скорость нагрева, время выдержки и химический состав стали [1, стр. 202]. Например, в легированных сталях (а особенно с хромом), оксидные плёнки возникают медленнее и при более высоких температурах, чем у обычных углеродистых.

Думаю, наш мангал изготовлен из простой углеродистой стали, а не из какой-нибудь легированной или тем более нержавейки, иначе не стоил бы он 167 рублей! :).
Итак, будем считать, что наш мангал из углеродистой стали. Открываем справочник [2] или [3] и смотрим, какие цвета побежалости углеродистой стали какой температуре соответствуют [2, стр. 74].

Чисто в качестве справочного материала привожу еще картинку из книги [4, стр. 540], где показана зависимость цветов побежалости и от температуры нагрева, и от времени выдержки при этой температуре для марганцовистой стали 1035 (это типа нашей стали 35 по ГОСТ 1050).

Для нашего же случая с углеродистой сталью и без учета времени нагрева получаем следующую картину:

Конечно же, как понятно из сказанного выше, цвета побежалости — не очень точный способ определения температуры в силу того, что на формирование оксидной пленки оказывает влияние большое количество факторов, к тому же цвет, который мы наблюдаем, будет зависеть еще и от того, какой источник света у нас в распоряжении при наблюдениях. Тем не менее, это не значит, что явлением образования цветов побежалости не стоит пользоваться!

Какие варианты использования знания о цветах побежалости на практике?

1. При проведении исследований.

Например, при проведении причин разрушения детали. Мы знаем, что деталь была рассчитана на работу при температурах до 200°С, а скажем, деталь была доставлена к вам синего цвета. Значит, работала она при температурах около 300°С. Нехорошо!

2. Для контроля корректности проведения испытаний.

Вот, например, два образца после испытаний на растяжение образцов углеродистой стали при температурах 350 и 200 (см. стандарты для испытаний на растяжение). Сразу видно, какой образец был испытан при 350°С, а какой — при 200°С.

3. Для контроля состояния инструмента.

Например, токарям по цвету стружки можно прикинуть температуру резца.

4. Для контроля температуры отпуска ножей, лезвий и др. подобных металлических изделий с гладкой поверхностью. Как раньше, в общем.

Вот и всё на сегодня. Ну как Вам статья? Понравилась? Если да, то делитесь с друзьями (см. кнопки ниже) и подписывайтесь на обновления блога: я еще и не про такое напишу!

P.S. Мы, кстати говоря, наш «одноразовый» мангал забрали с собой, а не оставили валяться на пляже, как это сделали другие отдыхающие «повара-засранцы». Мангал можно использовать ещё не один раз, что мы и сделали на этих выходных уже на Ладожском озере.

style=»display:inline-block;width:300px;height:250px»
data-ad-client=»ca-pub-9341405937949877″
data-ad-slot=»1231225747″>

Ссылки

1. А.А. Бочвар. Основы термической обработки сплавов

2. И.С. Каменичный. Спутник термиста. 2-е изданиею испр и доп.

3. Седов Ю.Е., Адаскин А.М. Справочник молодого термиста, М: Высш.шк., 1986, 239 с. стр. 185

4. Failure Analysis of Heat Treated Steel Components, ASM International, 2008, 640 pp.

Сталь и холод

«Мороз и железо рвет и на лету птицу бьет» — говорит русская пословица.

В Якутии 65 градусов мороза не редкость. Здесь сталь проходит суровое испытание холодом. Зимой по обочинам дорог можно увидеть разбитые, точно глиняные черепки, стальные муфты, полуоси и другие детали машины или бульдозерный нож, расколотый пополам от удара о пенек. Недаром якутские шоферы знают наизусть чуть ли не все сорта стали и резины, какие выпускает наша промышленность.

Число поломок оборудования зимой в условиях Крайнего Севера обычно втрое, автосцепок иногда в десять раз больше, чем летом. Сталь не выдерживает низких температур; она становится хрупкой. По этой причине на Норильском горно-металлургическом комбинате ремонт основных узлов экскаваторов дает убытки, достигающие ежегодно 800 — 900 тыс. руб. А по всей Сибири убытки, вызванные дополнительными затратами на ремонт землеройной техники, превышают 50 млн. руб. в год.

Советские ученые и инженеры приняли активное участие в решении проблемы. Действительно обычное железо и некоторые сорта стали при температурах до — 40 °С, наиболее характерных для районов Арктики и Сибири, становятся хрупкими и трескаются. Появились рекомендации специалистов о подготовке особых марок стали. Исследования показали, что добавка циркония позволяет ликвидировать хрупкость сталей при сильных морозах. Можно будет создать такие марки стали, которые в условиях низких температур будут прочными. Это может дать огромную экономию.

Известно, что при изготовлении оборудования для работы в тропиках учитываются особенности работы металла во влажном климате и при высоких температурах. Для арктических широт Крайнего Севера надо также готовить специальное оборудование. Министр черной металлургии И. П. Казанец в интервью с корреспондентом «Недели» заявил: «Очень важно создать также стали, которые будут прочны, устойчивы и надежны при низких температурах, в так называемом «северном» исполнении. Это необходимо в связи с тем, что мы все более решительно начинаем осваивать Заполярье». Первые шаги в этом направлении уже делаются.

Новое оборудование для работы на Крайнем Севере подвергается испытанию холодом. Так, зимой 1968 г. в бездорожных условиях при лютых морозах на полюсе холода в Якутии проходила междуведомственные испытания прибывшая из Миасса группа мощных грузовиков «Урал-375К». Они были выпущены в опытном порядке специально для работы на Крайнем Севере.

Опытный образец экскаватора под названием «Северянин» вышел из ворот сборочного цеха завода «Рабочий металлист» в Костроме. Само название экскаватора говорит о том, что он предназначен для работы на Крайнем Севере при шестидесятиградусном морозе.

Ковровский завод отправил экскаваторы в специальном «северном» исполнении в Заполярье. Сюда они попали впервые, хотя «ковровцы» успешно работают на различных широтах более чем в 50 странах мира. Новые машины получили полный комплект всепогодной экипировки. Узлы и детали выполнены из особых сортов стали. Экскаваторы оборудованы дополнительной системой обогрева и могут безотказно работать при температуре — 60 °С.

Некоторые процессы в технике проходят при очень низких температурах, и для них нужна специальная аппаратура. Сюда относятся процессы сжижения и разделения воздуха, сжижения и фракционной перегонки нефтяных продуктов, сжижения природного газа. Для изготовления аппаратов, емкостей и трубопроводов требуются вязкие на холоду стали. Химическая промышленность нуждается в шаровых резервуарах для хранения сжиженных газов — пропан-бутановой смеси, аммиака и др.

Металлурги готовят и такие стали; в их состав входит много легирующих элементов. Японская фирма «Нихон Кокаи» выпускает никелевую сталь, способную сохранять свои свойства при температуре — 196 °С. Полагают, что она найдет широкое применение в строительстве танкеров и резервуаров для получения и хранения жидких газов.

Однако оказалось, что низкие температуры, столь опасные для прочности обычного металла, можно использовать для улучшения свойств стали: твердости и вязкости, жесткости и упругости. Еще в конце 20-х годов XIX в. П. П. Аносов проводил опыты с закалкой кос при температурах — 5 и — 18 ° по Реомюру. Опыты дали положительные результаты.

В наше время применение обработки холодом для дополнительного упрочнения некоторых сталей впервые было предложено профессором А. П. Гуляевым в 1937 г. Через пять лет первые попытки использовать глубокий холод были сделаны в США. В наши дни в различных странах проводят исследования в этой области и внедряются в практику методы «холодной» закалки.

Прежде всего обработка холодом оказалась исключительно ценным способом термообработки инструмента, изготовленного из быстрорежущей стали. Так, для большей прочности металла фрезу после обычной закалки охлаждают до — 75 °С, что приводит к повышению режущих свойств стали. Стойкость инструмента, изготовленного из стали Р18, после обработки холодом повышается почти на 50 %.

Было выяснено, что некоторые стали, алюминиевые сплавы и латунь становятся мягче при глубоком охлаждении. Остудив стальной лист жидким азотом, кипящим при — 195 °С, легко можно штамповать из него детали любой сложной формы, с глубокими выемками.

В июне 1968 г. в советской печати сообщалось, что ученые физико-технического института АН УССР доказали теоретически и экспериментально, что постоянное упрочнение можно получить, подвергая металл механической обработке не при нагревании, а при очень глубоком охлаждении. Специально сконструированная машина позволила производить деформацию образцов при температуре около — 270 °С. Эксперименты помогли выяснить, что при низкотемпературной деформации металлы приобретают очень мелкую и однородную структуру, способствующую значительному повышению жаропрочности вплоть до температуры красного каления.

Так холод из врага прочности металла превращается в союзника.

Использована публикация:
Мезенин Н.А. Занимательно о железе. М. «Металлургия», 1972. 200 с.
стр. 152 — 154.

Web-сайт “Термист” (termist.com)
Термомеханическое упрочнение арматурного проката

Отсутствие ссылки на использованный материал является нарушением заповеди «Не укради»

При какой температуре краснеет сталь

Сталь и холод

В Якутии -65°С не редкость. Здесь сталь проходит испытание холодом. Зимой по обочинам дорог можно увидеть разбитые, точно глиняные черепки, стальные муфты, полуоси и другие детали машин или бульдозерный нож, расколотый пополам от удара о пенек. Недаром здешние шоферы знают наизусть чуть не все сорта стали и резины, какие выпускает наша промышленность.

Число поломок оборудования зимой в условиях Крайнего Севера обычно втрое, автосцепок иногда в десять раз больше, чем летом. Сталь не выдерживает низких температур; она становится хрупкой.

За счет охрупчивания металла при пониженных температурах произошли крупные аварии, которые вызвали разрушение железнодорожных мостов в Бельгии, ФРГ и Канаде, крупных резервуаров для хранения нефти, разрушение грузовых судов и газопроводов.

Советские ученые и инженеры приняли активное участие в решении проблемы. Действительно, обычное железо и некоторые сорта стали при температурах до -40 °С, наиболее характерных для районов Арктики и Сибири, становятся хрупкими и трескаются. Появились рекомендации специалистов о подготовке особых марок стали. Исследования показали, например, что добавка циркония позволит ликвидировать хрупкость стали при сильных морозах. Можно создавать такие стали, которые при низких температурах сохранят прочность.

Сталь, которой не страшны морозы, производят на Череповецком металлургическом заводе по методу, разработанному профессором Ленинградского механического института С. М. Барановым. Она используется для изготовления труб газопроводов, которые прокладываются в Заполярье. Морозостойкую сталь назвали «Северянкой».

Современная техника широко использует низколегированные стали. Однако при низких температурах ее пластичность резко ухудшается. Она делается хрупкой, плохо выдерживает удары, что ведет к частым поломкам на транспорте, работающем в северных районах.

Решением задачи создать высокопрочную и одновременно высокопластичную сталь, не теряющую своих свойств при низких температурах, занялись сотрудники Донецкого государственного университета и Уральского научно-исследовательского института черных металлов при участии работников Уральского вагоностроительного завода. Им удалось создать высокопрочную и пластичную сталь, пригодную для изготовления ходовой части и автосцепки грузовых вагонов. Этому помогли добавки ванадия.

Для арктических широт нашего Крайнего Севера теперь готовится специальное оборудование в «северном исполнении»: экскаваторы, вездеходы-амфибии, грузовики КамАЗа, стальные резервуары емкостью 20- 50 тыс. м 3 .

Сталь и холод

Без широкого применения холодильной техники не обходятся современная торговля и медицина, нефтехимия и транспорт. Есть оригинальное предложение использовать жидкий азот для металлических отходов в сталеплавильных цехах. Перед тем как отправить в печь на переплавку крупногабаритный стальной лом, его необходимо размельчать. Ученые ГДР предложили заливать металлические отходы жидким азотом.

Охлажденный до-100°С металл становится хрупким, как стекло и легко разбивается на куски.

Некоторые процессы в технике проходят при очень низких температурах, и для них нужна специальная аппаратура. Сюда относятся процессы сжижения и разделения воздуха, сжижения и фракционной перегонки нефтяных продуктов, сжижение природного газа. Для изготовления аппаратуры, емкостей и трубопроводов требуются стали, вязкие при низких температурах. Химическая промышленность нуждается в шаровых резервуарах для хранения сжиженных газов — пропан-бутановой смеси, аммиака и др.

Металлурги готовят и такие стали: в их состав входит много легирующих элементов. Японская фирма «Нихон Кокай» выпускает никелевую сталь, способную сохранять свои свойства при -196°С. Полагают, что она найдет применение в строительстве танкеров и резервуаров для получения и хранения жидких газов.

Однако оказалось, что низкие температуры, столь опасные для прочности обычного металла, можно использовать для улучшения свойств самой стали: повышения твердости и вязкости, жесткости и упругости. Еще в 20-х годах XIX в. П. П. Аносов проводил опыты с закалкой кос при температурах -5 и -18° по Реомюру. Опыты дали положительные результаты.

В наше время применение обработки холодом для дополнительного упрочнения некоторых сталей впервые предложил профессор А. П. Гуляев в 1937 г. Через пять лет первые попытки использовать глубокий холод были произведены в США. Советский академик А. А. Бочвар в 1945 г. обнаружил в зоне фазового превращения металлов «сверхпластичность» сплава цинка с алюминием. Другие исследователи вскоре обнаружили подобные явления у сплавов иных металлов и у некоторых сталей в царстве холода: при -200°С. Изделия получались с идеально чистой поверхностью, которую невозможно достичь никакой механической обработкой. Ибо при любом нагреве, даже самом незначительном, на поверхности металла возникает слой окислов.

Северянка

Исследования в области низкотемпературного материаловедения ведутся в разных странах и сейчас. Ученые Физико-технического института АН УССР доказали теоретически и экспериментально, что постоянное упрочнение можно получить, подвергая металл механической обработке не при нагреве, а при глубоком охлаждении. Специально сконструированная машина позволила производить деформацию образцов при температуре -270°С. Эксперименты помогли выяснить, что при низкотемпературной деформации металлы приобретают очень мелкую и однородную структуру, способствующую значительному повышению жаропрочности вплоть до температуры красного каления.

Визуальные признаки термических поражений на конструкциях из металлов и сплавов.

Деформации стальных конструкций наблюдаются почти на любом пожаре.

Известно, что нагрев стали

выше 300-350оС приводит к заметному повышению ее пластичности и сопровождается снижением прочности, у стали могут появиться заметные деформации,

при 500-600оС прочность углеродистой стали снижается вдвое, деформации нагруженных элементов стальных конструкций значительны по величине и 15-20 минутный нагрев может привести к их обрушению.

Температура 450-500 оС считается температурой потери несущей способности стальных изделий.

при 1000оС прочность стали снижается в 10 раз ,

Температура потери несущей способности конструкций из алюминиевых сплавов составляет 250 оС.

Что значит потеря несущей способности у металлоконструкции? В чем она проявляется? Конечно, конструкция не ломается; в первую очередь она гнется, деформируется. Эти деформации при осмотре места пожара можно увидеть и нужно оценить.

Оценка величины и направленности деформаций дает важную информацию об относительной интенсивности и направленности теплового воздействия в тех или иных зонах.

Визуальные признаки деформации, которые следует фиксировать и оценивать:

1. Направление деформации металлических элементов. Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как правило, в сторону наибольшего нагрева. Кстати, это свойство не только металлов, но и многих других негорючих материалов, например, стекла.

2. Величина деформации.

С чисто теоретической точки зрения, величина деформации конструкции должна быть пропорциональна температуре и длительности ее нагрева. Поэтому, казалось бы, очевидно, что на месте пожара наиболее «горячей» зоной можно считать ту, в которой металлоконструкция имеет наибольшую деформацию. Однако наибольшая деформация происходит не всегда там, где имела место наибольшая температура или наиболее интенсивный нагрев. Она может быть и там, где конструктивный элемент имеет наибольшую степень свободы или более высокую нагрузку. Если, например, стальная балка перекрытия имеет наибольшую деформацию посередине пролета, то это еще не значит, что именно в этой точке был наиболее интенсивный нагрев — просто здесь на балку действует наибольший изгибающий момент. И тем не менее, на рассредоточенных по зоне горения однотипных и относительно одинаково нагруженных конструкциях оценить степень деформации в сравнении друг с другом очень полезно. Это (при относительно равномерной пожарной нагрузке в помещении) можно рассматривать как явный признак направленности распространения горения.

Чтобы количественно оценить степень деформации, рассчитывают так называемую величину относительной деформации. Это отношение величины прогиба к величине участка конструкции, на которой этот прогиб наблюдается (b/l) (рисунок).

Величина b/l для однотипных конструкций наносится на план места пожара. Такая информация в первом приближении характеризует распределение зон термических поражений на месте пожара и может быть использована в поисках его очага. Эти данные относятся к группе последовательно нарастающих (убывающих) термических поражений.

Требуют серьезного внимания локальные деформации металлоконструкций на отдельных участках, т.е. произвольно расположенные термические поражения. Четко выраженные и значительные по величине локальные деформации 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 объяснения – оно должно восприниматься как очаговый признак.

Б. Образование окислов на поверхности металла.

Алюминий и его сплавы.

Известно, что на поверхности алюминия и его сплавов уже при комнатных температурах существует микронной толщины окисный слой, который предохраняет алюминий от окисления. Окисел этот выполняет свою функцию и при нагреве алюминиевого изделия на пожаре, вплоть до достижения температуры плавления алюминия. Какой-либо полезной экспертной информации из исследования окисного слоя на алюминии извлечь не удается.

На поверхности медных изделий до температуры примерно 100 оС — присутствует черная пленка окисла (CuO, окись меди). При нагреве выше 100 оС и достаточной длительности — образуется пленка закиси меди — красного цвета (Cu2O). Это обстоятельство дает возможность в отдельных ситуациях оценивать, превышала ли температура в зоне, где находится медное изделие, указанную температуру.

Если поверхность обработанная, гладкая, то первый признак теплового воздействия, который можно обнаружить визуально — цвета побежалости. Они появляются при нагревании стали до температуры 200-300 оС благодаря образованию на ее поверхности пленки окисла микронной толщины. Толщина слоя окисла зависит от температуры, а за счет интерференции света с изменением толщины пленки меняется ее цвет. Таким образом, получается, что цвет пленки окисла («цвет побежалости») зависит от температуры нагрева стали и может использоваться для ее определения. Существует примерно следующая цветовая шкала цветов побежалости на сталях.

Следует отметить, что оценка нагрева металлических конструкций по цветам побежалости при поисках очага пожара используется редко. Чаще это делается при установлении причин пожаров, связанных с трением, локальным перегревом в технологических установках, двигателях и т.д.

Высокотемпературный окисел — окалина — образуется на сталях обыкновенного качества при температуре более 700оС.

Рост толщины окалины происходит по параболическому закону. Чем больше температура и длительность нагрева, тем она толще.

От температуры образования зависит и состав окалины. Она может состоять из трех слоев различных окислов (рисунок) (начиная от поверхности металла):

вустита (оксида двухвалентного железа, FeO), имеющего черный цвет

промежуточного слоя — магнетита (оксида двух-трехвалентного железа, Fe3O4 ,),.

гематита (оксида трехвалентного железа, Fe2O3), имеющего рыжий цвет.

Чередование окислов на поверхности металла связано с разным процентным содержанием кислорода в воздухе на пожаре по мере его развития.

Вначале при относительно высоком содержании кислорода происходит образование гематита. Затем по мере возрастания температуры и убывании кислорода в воздухе под слоем гематита образуется слой магнетита и ниже слой вустита. Таким образом, чем выше температура, тем больше в окалине вустита и меньше гематита

Это обстоятельство позволяет по цвету окалины и ее толщине ориентировочно оценивать температуру нагрева металлоконструкций. Низкотемпературная окалина (700 – 750 оС), в которой мало вустита, обычно имеет рыжеватый оттенок и достаточно тонкая. Окалина, образовавшаяся при 900-1000 оС и более — толстая и черная.

Обязательно надо помнить, что окалина – это очень плотный материал, прочно связанный с самим металлом: поэтому если окисел на поверхности стальной конструкции хоть и имеет рыжий цвет: но рыхлый и непрочный, то это, скорее всего, вообще не окалина, а обыкновенная ржавчина.

Цвет окалины и ее толщина дают возможность примерной оценки температуры нагрева стальных конструкций на пожаре. При этом, однако, не исключены ошибки, поэтому лучше все-таки проводить инструментальные исследования окалины и определять, таким образом, не только температуру, но и длительность нагрева конструкции.

Инструментальные методы исследования окалины будут рассмотрены ниже.

Расплавления и проплавления металла

Расплавления и проплавления (образование сквозных отверстий) металлов и сплавов на пожарах, особенно крупных, встречается не так уж редко. Можно считать, что это наиболее высокая степень термических по­ражений конструкций и отдельных предметов.

В 70-х годах В.Г.Выскребов (ВНИИСЭ) предложил даже использовать так называемый » метод температур плавлений» для поисков очага пожара. Метод заключался в фиксации мест, где расплавился тот или иной материал, и определении таким образом распределения температурных зон по месту пожара. Известно, например, что температура плавления составляет:

— у алюминия — 600 оС

— бронзы литой — 880-1040 оС

— стали — 1300-1400 оС

Таким образом, если в зоне А расплавился алюминиевый провод, то следует сделать вывод, что температура там превышала 600 оС, а в зоне Б, где оплавились медные провода, она была, как минимум, 1080-1090 оС.

Конечно, фиксировать на месте пожара зоны, где расплавился тот или иной материал, весьма полезно. Но считать это самостоятельным методом установления очага пожара было бы неразумно; да и температурные зоны устанавливаются таким путем достаточно условно. Если расплавился алюминий, то это не значит, что температура была 600 оС, она могла быть и 700- 900-1000 оС.

Кроме того, нужно иметь в виду, что «проплавления» в металле могут возникнуть и вовсе при температуре, ниже температуры плавления. Возможно это, как минимум, по двум причинам:

1. Локальный нагрев тонкого стального изделия (листа, проволоки и т.п.) приводит к образованию слоя окалины, соизмеримого по толщине с самим изделием. Окалина, не обладая достаточной механической прочностью затем может выкрошиться, и на изделии после пожара обнаружится «дырка».

В качестве примера приведем исследование пожара, произошедшего на складе одного из научно-исследовательских институтов. При осмотре места пожара там было обнаружено несколько стоящих вертикально рулонов сетки Рабица, на боку которых имелись вытянутые по вертикали каверны — проплавления сетки. Наличие таких проплавлений показалось дознавателю очень подозрительным — ведь температура плавления стали, как указывалось выше, 1300-1400 о С, и обеспечить такую температуру могло, разве что, применение каких-то таинственных спецсредств поджога. Все оказалось, однако, более прозаично. Когда остатки сетки по периметру прожогов исследовали, то оказалось, что проволочки полностью состоят из оксидов железа (не окисленного железа там уже нет), т.е. сталь полностью превратилась в окалину. Для такого процесса не нужна температура 1300-1400, достаточно и 800-900 о С. Но, тем не менее, почему разрушения имеют такой специфический, локальный характер? Оказалось, что над рулонами сетки, на деревянных антресолях склада хранилось несколько тонн полиэтиленовой пленки. При пожаре полимер плавился, горел, а часть его стекала на расположенные ниже рулоны сетки. Прилипающий к сетке и горящий полимер и привел в конечном счете к образованию столь странных » проплавлений».

Растворение металла в металле.

Расплавленный в ходе пожара более легкоплавкий металл при попадании на металл более тугоплавкий может привести как бы к «растворению» последнего в расплаве первого металла. Причем происходит это при температуре, ниже температуры плавления «тугоплавкого» металла.

Такой процесс возможен, например, при попадании расплавленного алюминия на медь и ее сплавы. Происходит это за счет образования эвтектического сплава меди с алюминием. Известно, что чистая медь имеет температуру плавления 1083 оС. В то же время эвтектические (совместно плавящиеся) сплавы «медь + расплавленный алюминий» – 660 оС, «медь + расплавленная латунь» — 870-980 оС

Точно также способностью растворяться в расплавленном алюминии обладает сталь.

Растворение стали в алюминии

Растворение происходит в три этапа:

а) окалинообразование на стали, протекающее под воздействием попавшего на нее расплавленного алюминия; (для этого достаточно температуры образования гематита — 700-750 оС)

б) химическое взаимодействие образовавшихся оксидов железа с расплавленным алюминием (термитная реакция):

Fe2O3 + 2Al —> Al2O3 + 2Fe + 847,8 кДж

Реакция эта, как видно из уравнения, сопровождается сильным тепловыделением, что приводит к дополнительному разогреву в зоне реакции и, соответственно, интенсификации последней.

в) растворение восстановленного из окисла железа за счет тепловыделения при термитной реакции (для этого тоже не обязательно достижения температуры плавления стали, например, при температуре 900 оС в алюминии может раствориться до 10 % железа).

Конечным результатом протекания указанных реакций может быть проплавление (дырка) в тонком стальном листе, в стенке стальной трубы и т.д.

Квалификационным признаком, позволяющим отличить такую дырку от проплавления, возникшего, например, под действием электрической дуги, является характерный контур проплавления (в форме лужицы, потека) и тоненькая каемка алюминия, обычно сохраняющаяся по периметру дырки.

Г. Горение металлов и сплавов

Известна способность к горению щелочных и щелочноземельных металлов (K, Na, Mg). Менее известно, однако, что в определенных условиях способны гореть (т.е. взаимодействовать с кислородом воздуха) и другие металлы и сплавы. Примером в данном случае могут быть широко распространенные в качестве конструкционных материалов алюмомагниевые сплавы.

Алюминий, нагретый до 660 оС, несмотря на существование оксидной пленки, все же начинает окисляться тем быстрее, чем ближе его температура к точке плавления, а горение алюминия в кислороде сопровождается значительно большим тепловыделением, чем горение других металлов (1675 кДж/моль).

Температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов, в зависимости от содержания магния в сплаве могут находиться в пределах 450-560 оС. Наименьшие температуры установлены для сплавов с содержанием магния 45-49%. Они получены методом ДТА для мелкодисперсных порошков (диаметр частиц менее 50 мкм). Известно, что металлы лучше горят в мелкоизмельченном виде, тем не менее, на развившемся пожаре, при хорошей пожарной нагрузке способны гореть и сплавы в виде элементов конструкций. Пожарные, в частности, наблюдают это при пожа­рах в ангарах из легких металлоконструкций со сгораемым утеплителем.

Повышенное содержание кислорода резко увеличивает возможность загорания и интенсивность горения металлов. Такие ситуации могут сложиться на подводных лодках в медицинских барокамерах, на производствах, связанных с применением газообразного и жидкого кислорода. Наиболее распространенные марки сталей при толщине образца 3 мм и температуре 20 оС способны гореть в кислороде при его давлении 0,02 Мпа, а алюминиевые сплавы (при тех же параметрах) — при давлении 0,1 Мпа. Другие металлы менее склонны к горению в кислороде.

Визуальными признаками горения металлов является разрушение конструкций в зоне горения. От выгоревшей детали часто остается ажурный скелет. Горение часто сопровождается разбрызгиванием металла, в результате чего на месте пожара обнаруживаются множественные мелкие частички металла и его окислов, аналогичные тем, которые образуются при дуговых процессах.