3. Приборы и оборудование

В работе используется мегаомметр, схема которого приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема устройства мегаомметра

В качестве образцов для исследования берутся 2-3 куска обугленного линолеума, изъятые с места пожара, а также исходный (недеструктированый) линолеум того же типа. 

3. Порядок проведения работы

1. Изучить теоретические сведения, порядок проведения работы, устройство мегаомметра, зарисовать схему прибора.

2. Изучить инструкцию по технике безопасности.

3. Измерить электросопротивление обугленных остатков линолеума.

4. Оформить результаты работы.

5. Сформулировать выводы.

От каждого из кусков изъятого с места пожара линолеума отбираются с 4-5 точек скальпелем пробы карбонизированного слоя в количестве по 0,1-0,2 г. Пробы помещаются в ступку, где тщательно растираются и усредняются. Подготовленные пробы помещаются в пробирки или пакетики и подписываются.

Электросопротивление обугленных остатков полимерных материалов определяют под давлением 3500-5000 кг/см². Из подготовленных проб карбонизованного слоя линолеума берется проба массой около 300-600 мг. Навеску карбонизованного линолеума загружают в прессформу и устанавливают прессформу в пресс. С помощью рукоятки пресса по показаниям манометра создают давление равное 0,5 МПа. К клеммам розетки пресса присоединяют контакты измерительного прибора и производят замер электросопротивления. Во избежание порчи мегаомметра замеры следует производить начиная с самого большого диапазона сопротивлений. После проведенного измерения пресс-форму вынимают из пресса и тщательно очищают от остатков порошка угля. 

Электросопротивление обугленных остатков линолеума (ПХВ) монотонно изменяется с увеличением температуры и продолжительности пиролиза. Поэтому данный параметр может рассматриваться в качестве критерия степени термического поражения материала. Исследованные образцы следует расположить на основании полученных данных в ряд с увеличивающейся степенью термического поражения.

Вопросы для самоконтроля

1. Как ведут себя на пожаре термопластичные полимеры?

2. Как ведут себя на пожаре термоактивные полимеры?

3. Какими лабораторными методами можно исследовать полимерные материалы, отобранные на месте пожара?

4. Опишите проведение термического анализа.

5. Изложите сущность химического анализа водных экстрактов.

Лабораторная работа №3

Изучение горения металлов и сплавов

3.1. Цель работы: изучить основные структурные изменения, сопровождаемые изменением физических и физико-химических свойств металлов и сплавов, инструментальные исследования стальных конструкций и изделий.

3.2. Теоретические сведения

Гореть способны щелочные и щелочноземельные метал­лы (K, Na, Mg). В определенных условиях способны окисляться (т.е. взаимодействовать с кислородом воздуха) металлы и сплавы, обычно не считающиеся горючими. Примером в данном случае мо­гут быть широко распространенные в качестве конструкционных материалов алюмомагниевые сплавы.

В таблице 3.1 приведены температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов. Они получены методом ДТА для мелкодисперсных порошков (диаметр частиц менее 50 мкм). На развившемся пожаре, при хорошей пожарной нагрузке способны гореть и сплавы в виде элементов конструкций. Алюминиевые сплавы горят, когда температура их нагрева на пожаре приближается к температуре плавления, при этом подплавляется, становится рыхлой и проницаемой для кислорода воздуха защитная пленка у них на поверхности.

Таблица 3.1

Температуры самовоспламенения алюмомагниевых сплавов на воздухе (порошки 0-50 мкм, ДТА)

Содержание Mg в сплаве, % масс.	0	9,1	115,5	220,0	228,0	334,8	445,4	449,9	661,6	775,0	885,0	990,0	995,0	1100
Температура самовоспл., ^0С	не горит	560	5540	5555	5540	5500	4450	4470	4460	5500	5520	5510	5545	5560

Изменения структуры металла при нагревании происходят в довольно широком интервале температур.

Наиболее распространенными сталями являются стали обыкновенного качества, типа Ст.3, 20, 08 кп и др. Гораздо реже на месте пожара встречаются легированные стали; они используются лишь при производстве специального оборудования, инструмен­та.

Стали обыкновенного качества и изделия из них в свою очередь по способу изготовления подразделяются на:

1) горячекатаные (прошедшие прокатку на вальцах при температуре 800-900 ⁰С и выше);

2) холоднодеформированные стальные изделия (т.е. изделия, ко­торые подвергались в процессе изготовления холодной деформации - штамповке, вытяжке, высадке и т.д.).

Горячекатаные стали

Горячекатаные стали широко распространены, т.к. именно они составляют основную номенклатуру металлопроката (швеллеры, двутавры, уголки, большая часть трубных изделий, горячекатаный листо­вой прокат и т.д.), а также из них изготавливаются строительные металлоконс­трукции. До 600-700 ⁰С изменений в структуре и физико-механических свойствах в горячекатаных сталях практически не происходит.

Выше этих температур изменения в структуре металла начинают про­исходить и их можно зафиксировать классическим для металлов методом - металлографией. Такое исследование позволяет определить ориентировочно температуру нагрева стали в различных зонах пожара и выявить зоны, где горение происходило наиболее интенсивно.

Для этого необходимо:

- выпилить из металлоконструкций образцы;

- сделать на образцах шлифы, протравить их, то есть обработать специаль­ными растворами кислот;

- провести исследование шлифов под микроскопом.

Использование метода металлографии в поисках очага не целесообразно. В данном случае исследование окалины даст наиболее быстрый и достаточно точный результат.

Отбор проб окалины проводят только в тех местах, где имеется плотный ее слой, без пузырей. Окалину отбивают с помощью молотка и зубила, либо, если конструкцию можно согнуть, ее деформацией - при этом окалина осыпается.

Пробы привозят в лабораторию, где измеряют микрометром толщину окалины, а затем проводят ее анализ.

Анализ окалины осуществляют:

а) химическим методом, то есть путем растворения в кислотах и комплексонометрического титрования с определением содержания в пробе двух- и трехвалентного железа;

б) методом рентгеноструктурного анализа с определением содержания в пробе окалины вустита, гематита, магнетита.

Далее, исходя из полученных данных, с помощью специальных номограмм определяется температура и длительность высокотемпературного наг­рева конструкций в зонах отбора проб окалины.

Полученные результаты наносятся на план места пожара - строятся температурные и временные зоны.

В случае необходимости определения степени термического поражения горячекатаных изделий непосредственно на месте пожара используют метод вихретокового зондирования.

Выявить зоны более низкотемпературные можно путем анализа карбонизированных остатков лакокрасочных покрытий [6].

Холоднодеформированные стальные изделия

К наиболее распространенным холоднодеформированным стальным изделиям относятся: 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 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.3.1).

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. Чтобы оценить степень термических поражений конс­трукций в зонах пожара, необходимо определить степень рекрис­таллизации каждого изъятого с места пожара холоднодеформированного из­делия. Сделать это можно несколькими инструментальными методами:

1. Определение твердости (микротвердости).

Одной из структурочувствительных характеристик является твердость изделия. У холоднодеформированного изделия она выше, у рекристализованного – ниже.

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

Данный метод не достаточно эффективен, так как твердость резко меняется при 500-600 ⁰С, мало изменяясь в прочих температурных диапазонах.

Рис.3.1. Схема изменения структуры стали при холодной деформации и при нагреве (в ходе рекристаллизации)

2. Определение коэффициента формы

В процессе рекристаллизации меняется форма зерна металла из вытянутой она становится равноосной (рис. 3.1). 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.

3. 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. 3.2). Это обстоятельство дает воз­можность, исследуя рассредоточенные по месту пожара холоднодеформиро­ванные изделия, выявлять там зоны термических поражений.

Рис. 3.2. График изменения 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 можно проводить как в лабораторных, так и в полевых условиях, непосредственно на месте пожара. Для этого на месте пожара нужно найти однотипные холоднодеформированные ме­таллоизделия, рассредоточенные по зоне пожара. 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.