Металдар мен қорытпалардың өрт кезіндегі әрекеті 1. Жалпы заңдылықтар

Металлдар қызған кезде атомдардың жылжуы көбейіп, атомдардың арасындағы ара-қашықтық ұзарады да олардың өзара байланысы әлсірейді.

Қыздырылған денелердің термиялық кеңеюі – атомдардың ара-қашықтығының ұлғаюының белгісі. Металлдың механикалық қасиеттерінің төмендеуіне температура жоғарылауына байланысты ұлғаятын ақаулар саны үлкен әсерін тигізеді. Балқу температурасында атом арасындағы қашықтықтың ұлғаюы және олардың арасындағы байланыстың әлсіреуі сияқты ақаулардың саны алғашқы кристалл торлары бұзылатындай дәрежеге жетеді. Металл сұйық күйге ауысады.

Барлық типтік металлдардың абсолюттік нөлдік температурадан балқу нүктесіне дейінгі аралықтағы көлемінің өзгеруі шамамен бірдей – 6-7,5%

құрайды. Осыған байланысты егер олар бірдей гомологиялық температураға дейін қыздырылған болса, атомдардың жылжуы мен олардың арасындағы байланыстың ұлғаюы және атомдар арасындағы байланыстың әлсіреуі барлық металлдарда бірдей дәрежеде деп санауға болады. Гомологиялық температура – абсолютті Кельвин шкаласы бойынша балқу температурасының (Тпл) үлесімен білдіретін қатысты температура. Сонымен, мысалы, темір мен алюминий 0,3Тпл

кезінде бірдей атом аралық байланыс беріктікке, демек бірдей механикалық беріктікке ие болады. Жүзградустық шкала бойынша бұл: темір үшін 331 °С, алюминий үшін 38 °С, яғни темір σв 331 °С кезінде, 38 °С температурадағы σв

алюминийге тең.

Температураның жоғарылауы металл иілгіштігінің ұлғаюына және металлдың қаттылығы мен беріктігінің төмендеуіне алып келеді. Ст3 маркалы болаттан жасалған суықатырылған арматура үшін жоғарыдағы тәуелділіктің жалпы сипаттамасы 3.7 суретте көрсетілген.

Сур.3.7. Ст3 маркалы болаттың физика механикалық қасиеттерінің температураға байланысты тәуелділігі

Жоғарғы температура кезінде сонымен қатар металл пластикалығының ұлғаюының нәтижесі болып табылатын, жылжығыштық қабілеті өзгеруінің өсуі орын алады. Жоғарғы берікті арматуралық болатты әртүрлі мөлшердегі жүктемеде γs қыздырған кездегі жылжығыштығының дамуы 3.8 суретте көрсетілген.

Сур. 3.8. В-II класты арматураны стандартты режим бойынша (қорғаушы қабаттың қалыңдығы 0,03м) температуралық қыздыру кезіндегі жылжығыштық қабілеті өзгеруінің дамуы [6]

Металл немесе қорытпаның балқу температурасы қаншалық төмен болса, соншалық төменгі температурада оның беріктігінің төмендеуі орын алады.

Мысалы, алюминий қорытпалары беріктігінің төмендеуі болатқа қарағанда төменгі температурада орын алады.

Температура жоғарылаған сайын металдар мен қорытпалардың жылуфизикалық қасиеттері өзгереді. Бұл өзгерістердің сипаты күрделі әрі түсіндіруге қиын болып келеді. Болаттың кейбір түрлері үшін, қыздыру температурасына байланысты болаттың салыстырмалы көлемдік жылу сыйымдылығына және жылуөткізгіштік коэффициентіне тәуелділігінің мысалы 3.9, 3,10 суреттерде көрсетілген. Графикте бар экстремумдар темірдің аллотропты айналуы есебінен, болаттың кристалдық құрылымының өзгерісімен байланысты.

Сур. 3.9. Температураға байланысты болаттың жылуөткізгіштік коэффициентінің тәуелділігі

Сур.3.10. Температураға байланысты болаттың салыстырмалы көлемдік жылусыйымдылығына тәуелділігі

Төмен легирленген болаттар қызған кезде сипаты басқаша болып келеді. 300

°С дейін қыздырған кезде жалпы заңдылықтармен қатар, қызған кездегі металлдың іс әрекетін сипаттайтын төмен легирленген болаттар қатарының (25Г2с, 30ХГ2С және т.б.) беріктігінің ұлғаюы орын алады. Өрт кезіндегі болаттардың іс әрекеті бірқатар факторларға тәуелді ерекшеліктерден тұрады (3.1

сур. қараңыз).

Сонымен, бәрінен бұрын болаттың өрт кезіндегі әрекетінің сипатына оның химиялық құрамы: көміртекті немесе төменгі легирленген, кейін болса арматуралық профильдерді беріктендіру немесе дайындау әдісі: ыстық жұқарту, жылулық беріктендіру, суық созу және т.б. әсер етеді.

Осы ерекшеліктерді толығырақ қарастырайық. Көміртекті болаттан жасалған ыстық жұқартылған арматура үлгілерін қыздырған кезде қатысты ұзару δ мен тарылудың ψ өсуіне, беріктік, аққыштық шектерінің төмендеуіне алып келетін, илемділігінің өсуі мен оның беріктігінің төмендеуі орын алады. Мұндай болаттар суыған кезде, оның алғашқы қасиеті қалпына келеді.

Үлгілер ыстық және суытылған күйіндегі, тәжірибе бойынша алынған Ст3 маркалы болатты қыздырған кездегі беріктігінің өзгеріс графигі 3.11 суретте көрсетілген.

Сур.3.11. Ст3 маркалы болаттан жасалған А-І класты ыстық жұқартылған стержнді арматураны қыздырған кездегі беріктігінің өзгерісі: 1 – ыстық күйінде; 2 – суытылған соң [6]

Көміртекті болаттар (А-І, А-ІІ класты арматура) суытылған соң олардың біршама беріктігінің мөлшері тәжірибе бойынша қайта қалпына келетіндігі жоғарыдағы графиктерде көрсетілген. Аз қоспаланған болаттарды қыздыру кезіндегі әрекетінің сипаты өзгеше. Бірқатар аз қоспаланған болаттарды (25Г2с, 30ХГ2С және т.б.), 300 ºС С дейін қыздырған кезде суытылғаннан кейін де сақталатын беріктігінің біршама ұлғаю өтіп жатады (3.12 сур.). Сондықтан, аз қоспаланған болаттар қосымша қоспаларының арқасында орташа температурада қыздырған кезде тіпті, өзінің беріктігін жоғарылатады және температура өскен сайын беріктігін аздап жоғалтады.

Сур. 3.12. 25Г2С аз қоспаланған болаттарды қыздырған кезде беріктігінің төмендеуі: 1 – ыстық күйіндегі; 2 – суытылған соң [6]

Термиялық беріктендірілген арматураның өрт кезіндегі әрекетінің ерекшелігі болаттың демалысына алып келетін беріктігінің қайтымсыз жоғалуы болып табылады. 20ГС маркалы термиялық беріктендірілген болаттың қасиетінің механикалық сипаттамаларының өзгерісі 3.12 суретте көрсетілген. 400 °С дейін қыздырған кезде термиялық беріктендірілген болаттың беріктік шегінің сақталуы кезінде аққыштығының шартты шегінің жоғарылауымен білдірілетін механикалық қасиеттерінің бірқатар түзелу мүмкіндігі суретте көрсетілген. 400

°С жоғарғы температура кезінде аққыштық шегі сияқты беріктік шегінде де қайтымсыз төмендеу өтіп жатады.

Қақтау арқылы беріктендірілген арматуралық сым қыздырылған кезде беріктігін қайтымсыз жоғалтады. Беріктендіру (қақтау) дәрежесі қаншалықты жоғары болған сайын соншалық төмен температурада оның беріктігінің жоғалуы басталады. Мұның себебі, болатты қақтау арқылы беріктендірген кристалл торларының термодинамикалық тұрақсыз жағдайы, болып табылады.

Темпетатураны 300 – 350 °С жоғарылатқан кезде қақтау нәтижесінде деформацияланған кристалл торының тұрақты жаққа ауысуы орын алатын қайта кристалдану процесі басталады [6].

Алюминий қорытпаларын болатпен салыстырғанда қыздыруға тұрақтылығының төмендігі олардың басты ерекшелігі болып табылады.

Алюминий қорытпаларының сипатына тән, жоғары температураның әсері кезіндегі авиалей тобына жататын АД 31-Т1 қорытпасына арналған механикалық өзгеріс 3.13 суретте көрсетілген. Температура 240 °С-ге жете салысымен беріктік шегі мен аққыштықтың шартты шегі 2 есеге төмендейтіндігі осы суретте көрсетілген. Осыған орай қатыстық ұзарудың ұлғаюы және серпімділік модулінің төмендеуі орын алады.

Сур. 3.13. Қыздыру кезінде АД31 – Т1 қоспасының механикалық қасиеттерінің өзгерісі[6]

Егер, қыздыру температурасы 400 °С аспаса, қыздыру және суытудан кейін қайта қалпына келу қабілеті кейбір алюминий қорытпаларының маңызды ерекшелігі болып табылады. Мысалы, АМц, АМг қорытпалары осы қабілеттің иегерлері болып табылады. (Сур.3.14).

Сур. 3.14. АМг-б қоспасының қыздыру кезіндегі (1,2,3) және суығаннан кейінгі (1',2',3') механикалық қасиеттерінің өзгерісі [6]

Аз қоспаланған болаттар жоғары температураның әсеріне басқөаларға қарағанда төзімділеу болып келеді. Қосымша беріктендірусіз көміртекті болаттар өздерін біршама нашарлау ұстайды. Термиялық әдіспен беріктендірілген болаттар – одан да нашар. Жоғары температураның әсеріне ең төмен беріктікке қақтау арқылы беріктендірілген болаттар ие, ал алюминий қорытпалары одан да төмен беріктікке ие болады.