Исследование после пожара конструкций из металлов и сплавов (тема № 5)

1. РАССЛЕДОВАНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА ПОЖАРОВ Раздел 1. Методика установления очага пожара. Тема № 5. Лекция. «Исследование после пожара

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МЧС
РОССИИ
Кафедра исследования и экспертизы пожаров
РАССЛЕДОВАНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА ПОЖАРОВ
Раздел 1. Методика установления очага пожара.
Тема № 5. Лекция. «Исследование после
пожара конструкций из металлов и
сплавов»

2. Учебные вопросы:

1. Классификация металлических изделий для
целей пожарно-технической экспертизы.
Физико-химические изменения, возникающие с
металлическими изделиями на пожаре.
2. Визуальные признаки термических
поражений на конструкциях из металлов и
сплавов.
3. Инструментальные методы и средства,
применяемые для исследования после пожара
металлических изделий.

3.

• Чистое железо – блестящий белый металл
с температурой плавления 1528 оС.
• Чугун содержит обычно 2 – 5 % углерода
и другие примеси (до 10 %).
• Температура плавления чугунов 1100 –
1200 оС.
• Стали – это сплавы железа с углеродом,
содержащие до 2 % углерода.
Температура плавления сталей находится
в пределах 1300-1400 оС.

4.

Изделия из сталей по способу изготовления подразделяются на:
Горячекатаные
(прошедшие
температурную
обработку при t =
800÷900 оС) - уголки,
балки, трубы, стальной
лист, рельсы и т.д.
При относительно низких
температурах изменения в их
структуре незначительны и
трудно фиксируемы.
Холоднодеформированные
(подвергшиеся в процессе
изготовления холодной
штамповке, вытяжке, высадке,
волочению и т.д.) - проволока,
метизы, некоторые типы труб,
штампованные корпуса и
детали приборов, оборудования,
автомобилей.
Удобный и информативный объект
экспертного исследования после
пожара.

5.

• Чистая медь – тягучий вязкий металл светлорозового цвета. Температура плавления меди
1083 оС.
• При температуре около 100 оС на поверхности
меди образуется пленка закиси меди красного
цвета (Cu2O).
• Важнейшие сплавы меди:
• латуни (сплавы с цинком),
• бронзы (сплавы с оловом),
• мельхиор (80 % меди и 20 % никеля) по
внешнему виду напоминает серебро.
• Температура плавления медных сплавов в
пределах 800-1040 оС.

6.

• Алюминий – серебристо-белый мягкий
металл с температурой плавления 660 оС.
• Сплавы алюминия, в отличие от чистого
металла, обладают большой
механической прочностью:
дюралюминий (3-5 % меди, 1 % магния,
0,5-0,8 % марганца)
• силумин (12-14 % кремния)

7. Последствия теплового воздействия на пожаре на металлы (сплавы) и конструкции из них:

деформация
расплавления и проплавления
горение
Визуальная
фиксация
образование окислов на
поверхности металла
структурные изменения,
сопровождающиеся изменением
физико-химических и
механических свойств
Инструментальные
исследования

8. 2. Визуальные признаки термических поражений на конструкциях из металлов и сплавов

• снижение прочности и заметные деформации у
стали наблюдаются при t > 300-350 оС,
• при 500-600 оС прочность углеродистой стали снижается
вдвое, 15-20 минутный нагрев может привести к
обрушению стальных конструкций.
• при 1000 оС прочность стали снижается в 10 раз
• t = 450-500 оС считается температурой потери
несущей способности стальных изделий.
• t = 250 оС - потеря несущей способности
конструкций из алюминиевых сплавов

9. При осмотре места пожара следует фиксировать и оценивать:

• Направление деформации
Металлоконструкции и их отдельные элементы деформируются, как
правило, в сторону наибольшего нагрева.
Величину деформации
относительная
деформация = b/l

10.

величина относительной деформации однотипных
равнонагруженных конструкций нарастает по направлению к
очагу

11. Механизм возникновения локальной деформации стальной конструкции

А
Б
а) вид конструкции после пожара;
б) локальный нагрев конструкции конвективным
потоком от очага.

12.

13.

14.

Низкотемпературный окисел на стали
Цветовая шкала цветов побежалости
Цвет
побежалости
Толщина слоя
окисла, Мкм
Светло-желтый
0,04
Температура
нагрева
оС
220-230
Соломенножелтый
Оранжевый
0,045
230-240
0,05
240-260
Краснофиолетовый
Синий
0,065
260-280
0,07
280-300

15. Высокотемпературный окисел на стали (стальная окалина)

структура стальной окалины
гематит - оксид трехвалентного
железа, Fe2O3,
рыжего цвета толщиной 1-2 мм.
образуется при 700-750 оС
вустит - оксид двухвалентного
железа, FeO,
черного цвета толщиной 3-5 мм и
более.
образуется при 900-1000 оС и выше
Чем выше температура прогрева, тем меньше в окалине
гематита и больше вустита.
Окалина становится более черной и толстой.

16. проплавления в металле могут возникнуть при температуре, ниже температуры плавления

1. Локальный нагрев тонкого стального изделия
(листа, проволоки) может привести к
образованию слоя окалины, соизмеримого по
толщине с самим изделием. Затем окалина, может
выкрошиться, и на изделии образуется отверстие.
2. Растворение тугоплавкого металла в более
легкоплавком (стали или меди в алюминии).
3. Термитная реакция:
Fe2O3 + 2Al
Al2O3 + 2Fe + 847,8 кДж

17. Горение металлов Визуальными признаками горения металлов является разрушение конструкций в зоне горения. От выгоревшей детали

часто остается ажурный скелет.

18. 3. Инструментальные методы и средства, применяемые для исследования после пожара металлических изделий.

• Фиксация структурных изменений, сопровождающих
изменение физических и физико-химических свойств.
• А. Полевые методы
• 1. Для горячекатаных сталей
• Вихретоковый метод измерения тлщины стальной
окалины (индукционная толщинометрия)
• 2. Для холоднодеформированных стальных изделий
• Магнитный метод (по величине коэрцитивной силы
или пропорционального ей тока размагничивания)

19. Б. Лабораторные методы

• Для горячекатаных сталей
• 1. Металлография.
• 2. Химический анализ стальной окалины (по
соотношению в пробе окалины двух- и трехвалентного
железа)
• 3. Рентгеноструктурный анализ стальной окалины –
РСА (по соотношению в пробе окалины вустита и
гематита)
• Для холоднодеформированных стальных
изделий
• 1. Количественная металлография (по коэффициенту
формы зерна)
• 2. Определение микротвердости

20. Применение индукционной толщинометрии (метода вихревых токов) для определения степени термического воздействия на стальные

изделия

21. Изменение показаний установки в зависимости от температуры отжига образцов

22. Изменение твердости (НВ) -1 и тока размагничивания (Jр) – 2, 3 холоднодеформированного изделия (болт М8) при нагревании в

динамическом режиме

23.

Фазовая диаграмма железо-углерод
(1) железо переходит в
гранецентрированный аустенит
(2) при превышении содержания
углерода в поверхностном слое
2%, на поверхности железных
частиц появляется слой
расплавленного чугуна
(3) при медленном охлаждении
углерод может диффундировать
через металл, образуя сталь со
средним содержанием углерода
1,5-2%
(4) При падении температуры
ниже примерно 1000°С углерод
выделяется из раствора по
границам зерен в виде сетки
цементита
(5) при температуре ниже 727°С
происходит превращение
гранецентрированного аустенита с
образованием чередующихся слоев
цементита и низкоуглеродистого
объемно-центрированного феррита

24. На пожаре при нагреве свыше 600-650 оС в горячекатаных сталях происходит рост зерен металла, который можно зафиксировать

методом металлографии,
который заключается в исследовании структуры металла с
применением специальных металлографических микроскопов с
увеличением 200х.
Структура
шлифа стального
образца
Стрелки указывают на
границы ферритовых
зерен

25. Схема изменения размера зерна в зависимости от температуры нагрева аустенитного зерна

26. Зависимость относительной величины зерна от температуры для низкоуглеродистых сталей

dотн1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
500
600
700
800
900
1000
1100
температура, оС

27. Сталь с содержанием углерода 0,1% (а) и 0,8 % (б)

28. Сталь с различным содержанием углерода

а) содержание углерода 1,1%
б) содержание углерода 1,3%

29. Структура серого чугуна

30. Влияние ковки на сверхвысокоуглеродистую сталь.

31. Дамасский узор на персидской сабле

32. Изменение структуры стали

33. Схема изменения структуры деформированного металла при нагреве

а - исходная
структура, возврат;
б - первичная
рекристаллизация
(начало);
в - первичная
рекристализация
(окончание);
г - собирательная
рекристаллизация