Способ определения температуры огневого воздействия по изменению твердости и коэрцитивной силы стальных металлоконструкций
METHOD FOR DETERMINING THE TEMPERATURE OF FIRE EXPOSURE BY CHANGING THE HARDNESS AND COERCIVE FORCE OF STEEL STRUCTURES

Изобретение относится к области исследования свойств материалов и касается способов определения температурного воздействия на открытые стальные конструкции, в частности температуры огневого воздействия в результате пожара.
Материал строительных металлоконструкций, оказавшихся в зоне действия высоких температур, претерпевает изменения, по которым судят о величине температурного воздействия. Из уровня техники известен способ определения температуры огневого воздействия на металлоконструкции по цветам побежалости стальных конструкций [Определение температур огневого воздействия по следам пожара [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://lse.expert/opredeleniye-temperatur-ognevogo-vozdeystviya-po-sledam-pozhara, свободный - (07.02.2022)]. Согласно этому способу температура огневого воздействия определяется по цветам тонких слоев окислов, возникающих на поверхности металлоконструкции при действии температуры, называемых цветами побежалости (таблица 1). Каждому интервалу температур нагрева соответствует свой цвет побежалости, определяемый визуально.
3
4
2
3
Способ имеет ряд недостатков: визуальная оценка температуры по цветам побежалости носит субъективный характер и не может считаться универсальной для всех типов сталей. Цвета побежалости зависят от толщины и химического состава окисных пленок (магнетита FeO, гематита FeO и вьюстита FeO), которые в свою очередь зависят не только от температуры воздействия, но и от марки стали, способа изготовления и обработки конструкции, наличия поверхностных ликваций и т.д. Способ имеет ограничение по величине температурного воздействия, так как при превышении температурного порога от 300 до 500°С (для различных сталей) исчезает визуально определяемая зависимость между температурой и цветом поверхности стальной металлоконструкции после воздействия температуры.
В связи с вышеизложенным технической задачей является создание точного (достоверного) способа определения температуры огневого воздействия на стальные металлоконструкции, базирующегося на фиксации изменения их свойств: механических (твердости) и магнитных (коэрцитивной силы) до и после температурного воздействия.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности и диапазона надежного определения температуры огневого воздействия на стальные металлоконструкции, что позволит повысить надежность экспертных заключений о возможности дальнейшей эксплуатации металлоконструкции после пожара.
Технический результат достигается за счет того, что способ определение температуры огневого воздействия по изменению твердости и коэрцитивной силы стальных металлоконструкций включает в себя следующие последовательные стадии:
c1
1
измерение коэрцитивной силы H и твердости по шкале В Роквелла HRB в неповрежденной температурным воздействием металлоконструкции,
с2
2
измерение коэрцитивной силы Н и твердости по шкале В Роквелла HRB после огневого воздействия, определение температуры огневого воздействия С в градусах Цельсия формуле:
где  - относительное изменение коэрцитивной силы после температурного воздействия,  - относительное изменение твердости по шкале В Роквелла.
При реализации способа определяется относительная разница коэрцитивной силы,и твердости до и после температурного воздействия. По этой величине рассчитывается температура огневого воздействия. Из уровня техники известно, что наиболее структурочувствительной характеристикой ферромагнетиков (к которым относят стали) является коэрцитивная сила, то есть напряженность внешнего магнитного поля, приложенная к намагниченному до насыщения ферромагнетику, чтобы полностью его размагнитить. Коэрцитивная сила первой из всех характеристик стали меняет свое значение при приложении температурной нагрузки. Это изменение фиксируется после снятия температуры. Однако судить о величине температурного воздействия только по изменению коэрцитивной силы нельзя, так как при нагреве от 20°С до температуры, близкой к температуре плавления (≈1400°С), и дальнейшего охлаждения, сталь претерпевает ряд фазовых и структурных превращений. Это приводит к тому, что одной и той же величине коэрцитивной силы может соответствовать несколько величин температур. Твердость является более консервативной характеристикой металлов и сплавов, но при приложении и снятии температуры также возникает ситуация, когда величине твердости может соответствует несколько величин температур. Но каждой температуре воздействия соответствует только одна пара значений твердости и коэрцитивной силы. В связи с этим после серии экспериментов автором была получена расчетная зависимость, позволяющая определять температуру огневого воздействия по комплексному изменению твердости и коэрцитивной силы стальных металлоконструкций. Для исследований коэрцитивной силы использовался структуроскоп (коэрцитиметр) КИМ-2М, зарегистрированный в Государственном реестре средств измерений и допущенный к применению в Российской Федерации. Для исследований твердости был выбран метод Роквелла. Метод Роквелла - метод неразрушающей проверки твердости материалов, основанный на измерении глубины проникновения твердого наконечника (ндентора) в исследуемый материал при приложении единой для каждой шкалы твердости нагрузки. Если при проведении обследования после температурного воздействия остались неизвестны первоначальные величины коэрцитивной силы и твердости, используют измерения на аналогичных конструкциях или справочные данные. Все формулы, используемые при расчетах, выведены автором.
Изобретение поясняется следующими примерами. Для проведения исследований были изготовлены специальные образцы методом протяжки. Материал образцов - сталь 25 ГОСТ 1050-2013. В каждом образце были проведены замеры коэрцитивной силы структуроскопом (коэрцитиметром) КИМ-2М с помощью специально изготовленных насадок для цилиндрических образцов (Фиг. 1). Были применены следующие параметры измерения - ток размагничивания 155 мА, 3 импульса намагничивания. Для измерения твердости применен твердомер, реализующий метод Роквелла шкала В с внедрением стального закаленного шарика диаметром 1/16 дюйма или 1,588 мм в поверхность образца силой 1 кН, из которых 0,1 кН являются предварительной нагрузкой, 0,9 кН - основной. Метод определяет твердость по глубине внедрения наконечника. Для создания температурной нагрузки использовалась индукционная печь с термостатом.
с1
1
с2
2
Пример. В четырех образцах измерена коэрцитивная сила Н в А/м и твердость HRB (размерность - условные единицы) до приложения температуры. Образцы поочередно загружались в индукционную печь, нагретую до температур 200, 500, 600°С и 1000°С. По истечении 15 минут образцы вынимались из печи и охлаждались на спокойном воздухе. После этого в них снова измерялись контролируемые величины Н и HRB. Данные внесены в таблицу 2.
Средняя относительная погрешность определения температуры по предлагаемой формуле составила 7%. Анализ результатов позволяет сделать вывод об адекватности предлагаемого способа реальномутемпературному воздействию. Его можно применять ко всем доэвтектодным сталям (с содержанием углерода менее 0,8%).
Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить точность определения температуры огневого воздействия, не требует для своего применения высокой квалификации персонала и длительного времени проведения измерений, лишен субъективного восприятия цветов побежалости, расширяет надежно определяемый диапазон определения температурного воздействия.
Способ соотвествтвует условиям патентоспособности, а приведенные примеры не ограничивают объем притязаний и приведены только для иллюстративных целей.