Рекристаллизация холоднодеформированных стальных изделий сопровождается

Обновлено: 28.04.2024

Одним из способов управления уровнем прочности и структурой сплавов является холодное пластическое деформирование. В металле (сплаве) этот процесс осуществляется посредством сдвига одних частей кристалла относительно других. Основным способом реализации сдвига в металлах и сплавах при пластической деформации является скольжение, которое происходит путем передвижения дислокаций. Такой механизм называется сдвигово-дислокационным: под действием касательных напряжений происходит сдвиг одной части кристалла относительно другой по кристаллографическим плоскостям, наиболее плотно упакованным атомами.

В монокристалле при пластическом деформировании, когда плоскость скольжения параллельна направлению касательного напряжения, упрочнения не происходит: дислокации перемещаются на большие расстояния, обеспечивая деформацию без значительного увеличения напряжений. Эту начальную стадию пластического деформирования называют стадией легкого скольжения (I на рис. 11.1).

С увеличением степени деформации скольжение распространяется на другие кристаллические плоскости и возникает множественное скольжение. На стадии II (см. рис. 11.1) дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях, образуя сложную дислокационную структуру. На этой стадии плотность дислокаций возрастает по сравнению с исходным состоянием, достигая значений 10 11 . 10 12 см2. Вследствие упругого взаимодействия между дислокациями сопротивление движению значительно возрастает, поэтому для их продвижения требуется значительное увеличение прикладываемых сил.

Стадия III наступает в том случае, когда происходит так называемый динамический возврат, который приводит к уменьшению деформационного упрочнения.


При деформировании поликристаллических металлов стадия легкого скольжения отсутствует. Границы зерен являются препятствием для движения дислокаций. Поэтому для продолжения скольжения требуется повысить нагрузку. С ростом степени деформации е зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (рис. 11.2, а—в), а внутри зерен повышается плотность дислокаций. При значительной холодной пластической деформации образуется структура с ориентированными зернами в направлении течения металла (рис. 11.2, г). Одновременно с изменением формы зерен повышается уровень упругих напряжений на границах зерен, сами границы претерпевают значительную деформацию. Все это приводит к повышению прочности (ов, о0,2) и снижению пластичности b (рис. 11.3, а). Увеличение степени несовершенства структуры вызывает изменение и физических свойств металла: повышаются электросопротивление р и коэрцитивная сила Hc, снижается магнитная проницаемость u. Происходит изменение и в химических свойствах — снижается коррозионная стойкость (с.к) (рис. 11.3, б).

Формирование вытянутых зерен в металле, т. е. ориентированной структуры, приводит к анизотропии механических свойств.

Анизотропия механических свойств — различие в уровне свойств в продольном и поперечном направлениях изделий (заготовок), а также по толщине (в направлении высоты).

Упрочнение материала в результате холодной пластической деформации называется наклепом.

В некоторых сплавах при степени деформации более 50. 70 % временное сопротивление при растяжении (в продольном направлении) и твердость увеличиваются в 1,5—2 раза, а предел текучести — в 3—5 раз. Упрочнение сопровождается резким снижением пластичности: относительное удлинение — в 10—20 раз, иногда в 30—40 раз.

Свойства холоднодеформированного металла можно регулировать при последующих нагревах. В зависимости от температуры различают несколько стадий последеформационного нагрева, отличающихся специфическими изменениями структуры и, соответственно, механических свойств:

- возврат — на этой стадии не происходит изменения зеренной структуры и плотности дислокаций, поэтому прочность изменяется незначительно (рис. 11.4);

- рекристаллизация — процесс формирования и роста в деформированном сплаве новых зерен с пониженной плотностью дислокаций, разделенных новыми большеугловыми границами. Стадия, в результате которой все деформированные зерна заменяются на равноосные, называется первичной рекристаллизацией.

Изменение структуры при первичной рекристаллизации приводит к значительному снижению прочности и твердости металла и повышению пластичности (см. рис. 11.4).

Температуру начала рекристаллизации называют температурой рекристаллизации Tp (К) или tp (°C).

Температура рекристаллизации одного и того же сплава может изменяться в зависимости от:

• степени чистоты металла, или суммарного содержания примесей, в исходном состоянии;

• степени предшествующей деформации (процесс деформирования);

• времени отжига (технология последеформационного нагрева).

Значения Tp тем ниже, чем ниже содержание примесей, больше степень деформации, длительнее нагрев. Температуру рекристаллизации Tp, К, определяют по формуле А.А. Бочвара:

где k — коэффициент, зависящий от чистоты металла и степени легирования.

Для технически чистых металлов и сплавов температура Tр составляет 0,25. 0,30Тпл. Для технически чистых металлов и сплавов со степенью деформации 60. 70 % Tр составляет 0,3. 0,4Тпл, для высоколегированных сплавов со структурой твердых растворов Tр возрастает до 0,5. 0,67пл. В практике термообработки температуру рекристаллизации принято измерять в градусах Цельсия и обозначать tр.

Для осуществления рекристаллизации и снятия наклепа проводят специальную термическую обработку, называемую рекристаллизационным отжигом. При такой термообработке, чтобы обеспечить высокую скорость рекристаллизации и полноту ее протекания, холоднодеформированный сплав нагревают до температуры tотж, превышающей температуру рекристаллизации:

При дальнейшем нагреве протекает стадия собирательной рекристаллизации — стадия последеформационного нагрева, во время которой увеличиваются размеры рекристаллизованных зерен (см. рис. 11.4).

При последеформационном нагреве можно регулировать размер зерна, который является очень важной структурной составляющей, определяющей свойства сплава. Размер зерна d, мкм, зависит от технологических параметров деформирования и последующего рекристаллизационного отжига. При постоянных температуре t и времени т рекристаллизационного отжига на размер зерна влияет степень деформации е на стадии холодного деформирования (рис. 11.5).


Общая зависимость состоит в том, что с увеличением степени деформации размер зерна при последующей рекристаллизации уменьшается. Однако существует так называемая критическая степень деформации екр, обычно небольших значений, при которой зерно получается очень больших размеров. Происходит это по следующей причине. При малых степенях деформации плотность дислокаций повышается (происходит наклеп) только в отдельных зернах. При нагреве рекристаллизоваться могут только эти немногочисленные зерна, которые во время своего роста и поглощают остальные, что приводит к большим размерам зерен после рекристаллизации.

Холоднодеформированные стальные изделия

Холоднодеформированные изделия (стальные, в частности) - это изделия, изготовленные путем пластической деформации металла при относительно низкой температуре методами холодной штамповки, высадки, волочения и т.д.

Изъятые с места пожара изделия данного типа являются удобным и информативным объектом экспертного исследования.

Как известно, пластическая деформация металла приводит к переходу его в неравновесное состояние, характеризующееся повышенной внутренней энергией. По сути, это та доля механической энергии деформации, которая аккумулируется в материале и остается в нем по окончании действия внешних сил. Скрытая энергия распределена в металле неравномерно; основными ее носителями являются наиболее деформированные участки - дефекты кристаллической решетки. Часто такое состояние металла характеризуют термином “наклеп”.

Обычно под наклепом понимают упрочнение металла при об­ра­ботке давлением. В более широком смысле наклеп - это совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при пластической деформации [103]. Меняются же физические свойства и структурочувствительные механические характеристики металла в результате холодной деформации (т.е. при наклепе) весьма существенно. Особенно сильно увеличиваются прочностные и снижаются пластические свойства [104]. При степени деформации 50-70 % предел прочности и твердость увеличиваются в 1,5-2,0, а то и в 3 раза (в зависимости от природы металла и вида обработки давлением) [103].

Наклеп вызывает также увеличение электросопротивления ме­талла из-за рассеяния электронов дефектами решетки. Меняются при наклепе и магнитные свойства. Коэрцитивная сила монотонно растет, магнитная проницаемость и остаточная индукция снижаются [104].

Термодинамически неустойчивое состояние наклепанного ме­талла при нормальных температурах как бы “заморожено”, нужна внешняя энергия для термической активации перехода металла в исходное, равновесное состояние [105]. С повышением температуры (при нагреве в ходе пожара), металл эту энергию получает и начинает возвращаться в исходное состояние. Принципиальное отличие такого перехода от фазовых превращений в том, что он не связан с какой-то определенной температурой, а происходит в достаточно широком температурном интервале, что, с элементарной точки зрения, очень хорошо. Протекающий при этом процесс включает (по С.С.Горелику) [103, 105] три основные, последовательно протекающие стадии:

Возврат - это процесс повышения структурного совершенства наклепанного металла путем перераспределения и уменьшения концентрации точечных дефектов. Видимых изменений микроструктуры металла на стадии возврата не происходит, однако имеет место частичное восстановление свойств металла.

Полигонизация - процесс деформирования и укрупнения субзерен, самый низкотемпературный из процессов, заметно изменяющих под влиянием нагрева структуру деформированного металла.

Рекристаллизация - процесс полной или частичной замены одних зерен другими зернами той же фазы. На стадии первичной рекристализации в деформированной матрице формируются и растут участки с неискаженной или менее искаженной решеткой - зародыши рекристаллизации. С исчезновением деформированной мат­рицы завершается первичная рекристаллизация. Она восстанавливает не только структуру деформированного металла, но и его свойства.

Если же металл подвергать дальнейшему нагреву, повышая температуру, будет происходить так называемая “собирательная” рекристаллизация, обуславливающая равномерный рост зерен ме­талла, и вторичная рекристаллизация (неравномерный или “ано­мальный” рост зерен). Структурно чувствительные характеристики на этих стадиях также продолжают изменяться [105].

Таким образом, при протекании дорекристаллизационных и рекристаллизационных процессов происходит изменение структуры металла и его физико-механических свойств, обратное тому, что имело место при пластической деформации металла. Это обстоятельство позволяет использовать холоднодеформированные изделия как объект исследования с целью выявления зон термических поражений и установления очага пожара.

В качестве теста для оценки степени термического поражения металла на пожаре лучше всего выбрать такую его характеристику, которая:

а) монотонно меняется с увеличением температуры и длительности нагрева, причем чем в более широком интервале температур, тем лучше;

б) легко определяется, желательно с помощью экспрессных и неразрушающих методов.

Попробуем выбрать такую величину и соответствующий ме­тод исследования (анализа).

Описанные выше изменения в структуре металла при рекристаллизации, естественно, предполагают в качестве методов фиксации этих изменений металлографию и рентгеноструктурный анализ (РСА). Количественный металлографический анализ позволяет определять долю рекристаллизованного объема, метод РСА - количественно фиксировать образование и рост зародышей разной ориентировки. Применительно к холоднодеформированным объектам, изъятым с места пожара, методы эти рекомендовано использовать в [81, 63]. И, тем не менее, оба метода (и металлографию, и рентгеноструктурный анализ) не назовешь простыми и экспрессными. Кроме того, выше отмечалось, что на стадии возврата видимых изменений в микроструктуре не происходит, значит температурная зона возврата методом металлографии практически не контролируема. Таким образом, металлография и РСА - явно не самые удачные методы для решения поставленной задачи.

Из неразрушающих экспресс-методов для исследования после пожара холоднодеформированных изделий может быть использован, как отмечалось в нашей работе [8], а затем и в работе [63], метод определения микротвердости. Действительно, твердость хо­лоднодеформированного изделия заметно снижается в ходе рекристаллизации. Вспомним, например, гвоздь, побывавший на пожаре или в костре, печке. После такой процедуры он легко гнется руками, а забить его в доску очень сложно. Неудобно (для целей выявления зон термических поражений) то обстоятельство, что твердость при нагреве холоднодеформированных изделий резко снижается в слишком узком интервале температур (при 500-600 0 С), практически не меняясь в других температурных интервалах (см. ниже, подраздел5.4.3).

Весьма информативным, казалось бы, могло быть измерение такой характеристики металла, как электросопротивление. У железа, а также меди, алюминия, никеля, согласно графическим данным [103], электросопротивление при нагреве равномерно снижается в интервале температур от 100 до 500 0 С и восстанавливается раньше других свойств (к началу рекристаллизации восстановление достигает 70-80 %). К сожалению, трудности достаточно точного измерения электросопротивления металла в полевых условиях (удаление окисных пленок, исключение переходного сопротивления) делают возможность практического использования метода в данном случае малореальной.

Наиболее удобным неразрушающим методом определения относительной степени рекристаллизации холоднодеформированных изде­лий в пожарно-криминалистических исследованиях, видимо, следует считать магнитный метод, основанный на измерении коэрцитивной силы (или тока размагничивания предварительно намагниченного изделия) [4,106]. И в этом нет ничего удивительного. Коэрцитивная сила (величина напряженности магнитного поля, необходимая для изменения намагниченности изделия от остаточной до нулевой) является одной из наиболее структурочувствительных характеристик материала. Это позволяет широко использовать коэрцитивную силу в технике в качестве параметра неразрушающего контроля структуры, механических свойств металла, глубины и твердости поверхностноупрочненных слоев и т.п. [103].

Подробности методики магнитного исследования побывавших на пожаре холоднодеформированных стальных изделий приведены ниже, в разделе 5.4.

Исследование холоднодеформированных изделий

Объектами исследования при поисках очага могут быть любые холоднодеформированные изделия, рассредоточенные по зоне горения. Как известно, путем холодной деформации изготавливаются все наиболее распространенные типоразмеры крепежных изделий - болты, гайки, шпильки, винты, шурупы, скобы, гвозди. Последующей термической обработке на заводе они не подвергаются, сохраняют структуру холодной деформации и чаще всего исследуются рассмотренными ниже методами.

Объектами исследования могут быть и любые стальные изделия, полученные методом холодной штамповки (если они имеют достаточно высокую степень деформации и не подвергались отжигу на заводе).

Структуру деформации имеют также трубы стальные бесшовные холоднодеформированные (ГОСТ 8733-74 и 8734-74). Они имеют наружный диаметр от 5 до 250 мм и, согласно ГОСТу, не проходят заводской термообработки (то есть сохраняют наклеп), если они тонкостенные (отношение наружного диаметра к толщине стенки равно 50 и более). Аналогичное правило действует для конструкционных труб, холоднотянутых и холоднокатаных (ГОСТ 21729-76). Без термической обработки могут выпускаться трубы электросварные холоднодеформированные (ГОСТ 10707-80), холоднодеформированные трубы из коррозионностойкой стали (ГОСТ 9941-80).

Магнитный метод (измерение коэрцитивной силы

Или тока размагничивания)

Для определения величины тока размагничивания используются приборы, описанные в начале этой книги, в частности, коэрцитиметры КИФМ-1, КФ-3М и др.

Измерения проводятся на однотипных элементах конструкций, расположенных в различных зонах пожара. Исследуемое металлоизделие должно иметь длину не менее 40 мм (расстояния между полюсами выносного преобразователя) и может быть практически любым по конфигурации сечения.

Особо тщательная подготовка поверхности изделия под установку полюсов преобразователя не требуется. Необходимо лишь счистить обгоревшие остатки краски и пузыри окалины.

Преобразователь прибора устанавливается на изделии (эле­менте конструкции) и после цикла “намагничивание-размаг­ничи­ва­ние” автоматически определяется величина размагничивающего то­ка Ip. Циклы измерений на одном объекте повторяются 4-6 раз, после чего рассчитывается среднее значение Ip.

Подробно работа с коэрцитиметром описана в инструкции к прибору. Время, затрачиваемое на одно измерение, не превышает одной минуты.

Сравнительная оценка степени рекристаллизации проводится по величине тока размагничивания. Значение коэрцитивной силы по этим данным рассчитывать не обязательно.

Рис. 1.59. Изменение тока размагничивания гвоз­дей при нагревании в динамическом режиме со скоростью 10 град/мин (коэрцитиметр КИФМ-1): 1 - гвозди 100 мм; 2 - гвозди 70 мм
Рис. 1.60. Изменение тока размагничивания болтов М 12×60 при нагреве их в динамическом режиме со скоростью : 1 - 4,5 град/мин; 2 - 8,0 град/мин

Величина тока размагничивания холоднодеформированного изделия последовательно снижается с увеличением температуры наг­рева от 200 до 600-700 0 С, т.е. до температуры, при которой процесс рекристаллизации завершается. Это можно видеть на примере 70- и 100-милли­мет­ро­вых гвоздей (рис. 1.59) и болтов М 12´60 (рис. 1.60).

Полнота протекания ре­кристаллизационных про­цессов зависит не только от тем­пературы, но и, хо­­­тя и в меньшей сте­пе­ни, от длительности нагрева. Подтверж­дением этому мо­гут быть графические зависимости от длительности нагрева изменения тока размагничивания в изо­термических ус­ло­виях 100-милли­мет­ро­вых гвоздей (рис. 1.61). Та­ким образом, ток размагничи­вания является функцией двух величин - температуры и длительности нагрева, и использовать его следует как тестовую величину для выявления на месте пожара зон термических поражений конст­ру­кций.

Рис. 1.61. Изменение величины тока размагничивания при нагреве 100-миллиметровых гвоздей в изотермических условиях (охлаждение на воздухе)

Результаты измерения величины тока размагничивания наносятся на план места пожара, после чего на плане вычерчиваются зоны с одинаковыми значениями Ip, а также выявляются зоны (зона) с экстремально низ­ким значением данного па­­ра­метра, что соответствует экстремально высоким термическим по­ражениям.

Рис. 1.62. Зависимость тока размагничивания 100-миллиметровых гвоздей от температуры и длительности изотермического нагрева при охлаждении их, после нагрева, водой

Возможность выявления зон термических по­ражений по величине тока размагничивания обуслов­лена монотонным снижением величины Ip по мере уве­личения температуры и длительности нагрева вследствие развития процессов рекристаллизации. Поэтому для практического применения метода принципиально важно выяснить, насколько реальна опасность обратной тенденции в изменении тока размагничивания - его возрастания. Возможно это в случае, если произойдет закалка изделия при резком его охлаждении. Такое явление уда­лось смоделировать в лабораторных условиях, нагревая гвозди до температуры выше 900 0 С и бросая их в большой объем воды (рис. 1.62). При более низких температурах нагрева эффект закаливания не проявляется. Насколько возможен он, однако, в реальных условиях пожара?

Как известно, подавляющее боль­шинство наиболее распространенных ме­тизов изготавливается из низкоуглеродистых и низколегированных сталей обык­­­новенного ка­чества, ти­­па Ст.3. Они закаливаются очень плохо и нужны скорости охлаждения 400-1400 град/сек [13]. Элементарный теплофизический расчет по­ка­зывает, что на пожаре ох­лаж­де­ние изделий и конструкций с такой скоростью за счет подачи воды из ство­лов практически невозможно; ведь интенсивность подачи во­ды на по­жарах в жилых и производственных зданиях составляет 0,06-0,2 л/м 2 × сек [76].

В качестве примера практического использования магнитного метода при поисках очага пожара приведем пожар, происшедший на складе потребкооперации в одном из городов Сибири в середине восьмидесятых годов. Здание склада было бревенчатое, одноэтажное, размером в плане 20´12 м, и состояло из четырех секций (рис. 1.63). Здание стояло на сваях, примерно в 0,5 м от земли. В ходе пожара три секции здания выгорели практически полностью. Уцелели лишь нижний венец и лаги, на которые были уложены половые доски.

Из центральной лаги, проходившей примерно по центру всех четырех секций хранилища, на исследование извлекли гвозди размером 150´5 мм, которыми были прибиты к лагам доски пола.

Рис.1.63. План склада (места пожара): 1-20 - точки, в которых из центральной лаги изымались для исследования гвозди; ниже указаны значения тока размагничивания Iр, мА

У гвоздей, в их верхней части, торчащей из обгоревшей лаги, определяли ток размагничивания коэрцитиметром КИФМ-1. Полученные результаты измерения Ip нанесли на план помещения (рис. 1.63). По величине Ip прослеживается три зоны наибольших термических поражений, расположенные примерно по центру секций 2, 3, 4. Интересно отметить, что именно в этих зонах, но снизу, под сгоревшим полом, при осмотре места пожара были обнаружены воткнутые в землю прутки из арматурной стали с обгоревшими тряпками на конце, игравшие, вероятно, роль факелов.

Таким образом, появилась возможность говорить о трех очагах пожара и поджоге, как его причине.

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 принагреве 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 0 С (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 0 С - 0,49;

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

Материалы на основе камня.

Наиболее распространенные на месте пожара каменные искусственные неорганические строительные материалы можно разделить на две группы:

- материалы, изготовленные обжиговым методом;

- материалы, изготовленные безобжиговым методом.

Материалы, изготовленные обжиговым методом, т.е. прошедшие высокотемпературную обработку (обжиг) в процессе изготовления на заводе, при вторичном нагреве в ходе пожара практически не меняют своего сос­тава, структуры и свойств. Получить путем их исследования какую-либо информацию о пожаре довольно сложно. Поэтому материалы этой группы после пожара экспертно-криминалистическому исследованию обычно не под­вергаются. К материалам и изделиям этой группы относятся красный кирпич, керамическая плитка. С некоторой долей условности к ней можно отнести и стеклоблоки.




Материалы, изготовленные безобжиговым методом, по типу использованного связующего можно условно разделить на три подгруппы:

- материалы на основе цемента;

Цемент, известь, гипс - три главных минеральных связующих, три "кита", на которых держится вся мировая промышленность строительных материалов.

Материалы, изготовленные безобжиговым методом, являются достаточно информативным объектом визуального и инструментального исследования после пожара.

Визуальный осмотр и фиксация термических поражений

Изменение цвета бетона

а) Тяжелый бетон.

Указывается, что после нагрева бетон приобретает следующие оттенки цвета:

- нагрев до 300 0 С - розоватый оттенок;

- 400-600 0 С – красноватый оттенок;

- 900-1000 0 С - бледно-серый оттенок.

б) Цементно-песчаная штукатурка.

При нагреве до 400-600 0 С - приобретает розовый оттенок;

при нагреве до 800-900 0 С - бледно-серый цвет.

На основе опыта исследования пожаров можно констатировать другую закономерность - в более прогретых зонах стен и потолка штукатурка после пожара более светлого цвета. Причина такого явления, вероятно, в следующем. На по­жаре при тушении водой стены намокают и там, где стена нагревалась бо­лее длительно, интенсивно и, таким образом, прогрета сильнее, она, отда­вая тепло после пожара, просыхает быстрее. В результате при осмотре места пожара на более прогретых участках штукатурка выглядит светлее.




Влияние температуры рекристаллизации на структуру и свойства холоднодеформированных металлов

Неравновесная структура, созданная холодной деформацией, у большинства металлов устойчива при температуре 25 ºС. Переход металла в более стабильное состояние происходит при нагреве.

Процессы, происходящие при нагреве, подразделяют на две основные стадии: возврат и рекристаллизацию.

Снятие искажений решетки, как результат многочисленных субмикропроцессов (уменьшение плотности дислокаций в результате их взаимного уничтожения – аннигиляции, уменьшения внутренних напряжений, уменьшения количества вакансий и т. д.) в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом или отдыхом. При возврате не наблюдается заметных изменений структуры, видимой в световом микроскопе, по сравнению с деформированным состоянием. Возврат происходит при относительно низких температурах (около ).

Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов строения; в результате рекристаллизации образуются совершенно новые, чаще всего равноосные зерна. Температура рекристаллизации составляет некоторую долю от температуры плавления металла: и является наименьшей температурой нагрева, которая обеспечивает возможность зарождения новых зерен.

Температура рекристаллизации может колебаться и зависит:

­ от степени деформации (чем меньше деформация, тем выше температура рекристаллизации;

­ от времени выдержки при нагреве (чем длительнее выдержка, тем ниже температура рекристаллизации);

­ от чистоты сплава (чем больше в сплаве примесей, тем выше температура рекристаллизации).

Зарождение новых зерен при рекристаллизации происходит в участках с наибольшей плотностью дислокаций, обычно на границах деформированных зерен. С течением времени образовавшиеся центры новых зерен увеличиваются в размерах вследствие перехода атомов от деформированного окружения к более совершенной решетке. Эта стадия рекристаллизации называется первичной рекристаллизацией или рекристаллизацией обработки. Первичная рекристаллизация заканчивается при полном замещении новыми зернами всего объема деформированного металла (рис.5в).


Рис. 5. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а) наклепанный металл; б) начало первичной рекристаллизации;

в) завершение первичной рекристаллизации;

г), д) стадии собирательной рекристаллизации

По завершении первичной рекристаллизации происходит рост образовавшихся зерен при увеличении времени выдержки или температуры; эта стадия рекристаллизации называется собирательной рекристаллизацией. Чем выше температура нагрева, тем более крупными окажутся рекристаллизованные зерна.

Первичная рекристаллизация полностью снимает наклеп, созданный при пластической деформации; металл приобретает равновесную структуру с минимальным количеством дефектов кристаллического строения. Свойства металла после рекристаллизации близки к свойствам отожженного металла (рис.6).

Пластичность и вязкость металлов и сплавов зависят от размера зерен. С уменьшением размера зерен вязкость повышается. Размер зерен, образующихся при рекристаллизации, зависит в основном от степени пластической деформации, от температуры, при которой происходит рекристаллизация, и от времени выдержки (рис.7).

Увеличение времени выдержки при нагреве способствует росту зерен, но этот эффект значительно меньше, чем при повышении температуры нагрева.

Из рис.7в видно, что при определенной степени деформации, так называемой критической деформации (3÷5 %), и рекристаллизации можно получить аномально крупное зерно. Критической степени деформации следует избегать, так как образующаяся крупнозернистая структура обладает пониженной пластичностью и ударной вязкостью.

При больших степенях деформации возникает множество центров новых зерен, и после рекристаллизации образуется мелкозернистый поликристалл с хорошими механическими свойствами.


Рис. 6. Схемы изменения твердости (а) и пластичности (б)

наклепанного металла при нагреве: I – возврат,

II – первичная рекристаллизация, III – рост зерна


Рис. 7. Влияние температуры (а), продолжительности нагрева (б) и степени

деформации (в) на величину рекристаллизованного зерна.

On, On’ – инкубационный период рекристаллизации;

– температура рекристаллизационного отжига;

, – критическая степень деформации

Порядок выполнения работы

1. Измерить толщину образцов до и после деформации.

2. Произвести холодную пластическую деформацию на машине при усилиях 6, 8, 10 т.

3. Измерить твердость образцов после деформации на приборе Роквелла по шкале B (HRB), внести в таблицу.

4. Рассчитать степень пластической деформации образцов:

5. Рассчитать предел прочности деформированных образцов, используя эмпирическое соотношение .

6. Отжечь деформированные образцы при температурах 250, 400 ºС с выдержкой 15 мин.

7. Измерить твердость образцов после рекристаллизационного отжига.

8. Изучить структуры образцов после деформации и рекристаллизации, зарисовать и определить номер зерна (альбом, с. 19, шкала 1).

Содержание отчета

2. Таблица с результатами измерений.

П. № Нагрузка P, т Толщина образца h, мм , % HRB HB Температура отжига t, ºС HRB HB

3. График зависимости степени деформации ( ) от нагрузки (Р).

4. График зависимости предела прочности на разрыв ( ) от степени пластической деформации ( ).

5. График зависимости твердости (HRB) от температуры отжига (t).

6. Структуры образцов после деформации и отжига с указанием номера зерна.

7. Выводы из построенных графиков.

6. Контрольные вопросы

1. Что такое пластическая и упругая деформация?

2. Что такое наклеп металлов?

3. Что такое рекристаллизация, из каких стадий складывается этот процесс?

4. Как зависит температура рекристаллизации от температуры плавления металлов и сплавов?

5. Что такое критическая степень деформации?

6. Почему величина зерна зависит от степени деформации?

7. Какие изменения происходят в металлах в результате пластической деформации?

8. Какие факторы влияют на температуру рекристаллизации металлов?

9. Что понимается под возвратом или отдыхом?

10. Какие факторы и как влияют на размер зерна после рекристаллизации?

Лабораторная работа № 5

Закалка углеродистых сталей

Цель работы

1. Освоить методику выбора режимов и технологии проведения закалки углеродистых сталей различного состава.

2. Изучить диаграмму изотермического превращения аустенита.

3. Изучить структуру закаленной стали и объяснить ее получение по диаграммам железо-углерод и изотермического превращения.

4. Изучить влияние количества углерода и скорости охлаждения на твердость закаленной стали.

Читайте также: