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:

а) возврат;

б) полигонизация;

в) рекристаллизация.

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 ⁰С), 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 ⁰С 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.