Изменения теплофизических и физико-механических свойств материалов при нагреве

При нагреве, помимо структурных превращений в металле, изменяются его механические и физические свойства. Основная цель нагрева — придать металлу необходимые механические свойства. Пластичность нагреваемой стали увеличивается неравномерно. Пластичность малоуглеродистых, среднеуглеродистых, низколегированных и среднелегированных сталей при нагреве до температуры 200—400°С (а высоколегированных сталей — до температуры 700—850°С) уменьшается. При нагреве стели выше температуры 600—750°С в зависимости от марки стали пластичность резко возрастает. Следовательно, при температуре нагрева выше 600—850°С (температура зависит от марки стали) сталь становится настолько пластичной, что в ней не образуются внутренние напряжения и трещины.

Для процесса нагрева наиболее важным из физических свойств является теплопроводность стали. Теплопроводность — свойство проводить тепло от более нагретой части тела к менее нагретой. Чем выше теплопроводность, тем больше в единицу времени (в час) проникает тепла с поверхности внутрь заготовки и, следовательно, меньше требуется времени для нагрева. Величина теплопроводности характеризуется так называемым коэффициентом теплопроводности.

Коэффициентом теплопроводности называется количество тепла в калориях, передаваемое за один час через стенку площадью 1 м², толщиной 1 м при разности температур в 1° С. Если, например, коэффициент теплопроводности стали 36 ккал/м час °С, то это значит, что через стенку площадью 1 м² толщиной 1 м при разности температур между наружной и внутренней сторонами стенки в 1°С за один час передается 36 ккал тепла.

Коэффициент теплопроводности определяется опытным путем. Для разных материалов и сталей разных марок он изменяется в очень широких пределах.

Например, теплопроводность для чистого железа равна 60 ккал/м час °С, а для стали марки 30Х = 38,2 ккал/мчас °С. Коэффициент теплопроводности стали зависит от химического состава и температуры стали, а также вида обработки, которой подверглась сталь. Чем меньше сталь содержит примесей, тем больше будет ее теплопроводность. С увеличением в стали содержания углерода теплопроводность уменьшается. Легированные стали имеют теплопроводность меньше, чем углеродистые.

С изменением температуры теплопроводность сталей изменяется. На основании опытных данных установлено, что с повышением температуры до 800—850°С величина коэффициента теплопроводности для обыкновенных углеродистых сталей понижается. Выше температуры 850°С теплопроводность углеродистых сталей незначительно повышается.
При нагреве легированных и специальных сталей теплопроводность их с повышением температуры изменяется в зависимости от рода и количества легирующих элементов. Исследованиями установлено, что у высоколегированных сталей, содержащих хром и никель, с повышением температуры теплопроводность увеличивается.

На величину теплопроводности влияет также и способ обработки металла. Ковка, прокатка и вообще всякая обработка стали давлением повышают ее теплопроводность. У литой стали теплопроводность меньше, чем у стали, обработанной давлением (ковкой, прокаткой).

Средняя плотность характеризует массу единицы объема материала в естественном состоянии (вместе с порами). Эта важная физическая характеристика определяется путем деления массы образца на его объем. Для точного измерения объема удобнее принимать образцы правильной геометрической формы, хотя имеются несложные приемы измерения объема образцов и неправильной формы. При влажных образцах отмечается величина влажности, при которой определялась средняя плотность.

Истинная плотность — масса единицы объема однородного материала в абсолютно плотном состоянии, т. е. без учета пор, трещин или других полостей, присущих материалу в его обычном состоянии.

Пористость — степень заполнения объема материала порами. Если требуется выяснить, являются ли поры замкнутыми или сквозными, как распределены они в объеме материала по своим размерам, какое имеется реальное соотношение пор разных диаметров, тогда производят дополнительные исследования с применением специальных методов.

Прочность - способность материала сопротивляться разрушению и образованию остаточных деформаций от действия внешних нагрузок. Любая внешняя нагрузка (тяжелый груз, удар, трение) вызывает в материале внутренние напряжения, под действием которых его отдельные частицы стараются сместиться относительно друг друга, разойтись, оторваться от общей массы; иными словами, внутренние напряжения стремятся разрушить материал.

Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок. Пластичность стали увеличивается при нагреве, т. е. когда в ней начинаются внутренние превращения, состоя­щие в укрупнении зерен и ослаблении связей между ними. Поэтому прочность стали уменьшается, она становится мягкой и пластичной. Это позволяет с меньшими усилиями деформировать металлы. Например, для обычной угле­родистой стали 45 при нагревании до 600 °С временное сопротивление ее уменьшается с 600 до 250 МПа, т. е. больше чем в 2 раза. При дальнейшем нагревании стали 45 временное сопротивление ее уменьшается и имеет сле­дующие значения: при 700°С—150 МПа, при 1000°С — 55 МПа, при 1200°С—25 МПа, при 1300°С — 20 МПа. Следовательно, прочность стали, нагретой до температуры 1200 … 1300°С, уменьшается в 25 … 30 раз по сравнению с холодной сталью. Однако следует иметь в виду, что при нагреве стали до температуры 200 … 400 °С прочность увеличивается, а пластичность резко уменьшается и она становится хрупкой. Этот интервал температур назы­вают Зоной синеломкости. При таких температурах сталь­ные изделия легче всего ломаются.

При нагреве цветных металлов и их сплавов наблю­дается такое же явление. Разница состоит в том, что они имеют более низкие температуры плавления,чемсталь, и все критические температуры у них имеют мень­шие значения, чем у сталей. Например, прочность меди уменьшается в 6 … 7 раз при нагреве с 15 до 800°С, алюминия — в 30 … 35 раз при нагреве до 600°С.

Зернистое строение металла изменяется в зависимости от температуры и скорости деформирования его. Соот­ветственно этим воздействием на металл изменяется и прочность его. Например, при нагреве стали до критиче­ской температуры (723 °С) начинается рост зерен и про­должается вплоть до расплавления его. При нагреве стали до ковочной температуры соответственно вырастают и зерна. Если после этого сталь охлаждать без деформации, то обратного явления не наблюдается, т. е. зерна не уменьшаются, а металл становится непрочным и хрупким. Если же сталь подвергать пластической деформации, например путем ковки, вплоть до температуры окончания ковки, то зерна не восстанавли ваются, а металл становится более прочным, твердым и износостойким.

Твердость - способность одного материала сопротивляться проникновению в пего другого, более твердого тела. Показатель твердости часто используют при приблизительном определении прочности бетонных или цементнопеочаных оснований и стяжек, потому что твердость поверхности конструкций из бетонов и растворов находится в прямой зависимости от их прочности.

Огнестойкость – это способность материала противостоять действию высокой температуры без потери прочности, несущей способности и без деформаций. Способность материалов противостоять химическому и механическому разрушению при высокой температуре называется жаростойкостью, а сохранять физико-механические свойства при воздействии огня в условиях пожара — огнестойкостью. Предел огнестойкости — продолжительность сопротивления воздействию огня до потери прочности.

Огнеупорность – это способность материала сохранять свою форму и качества, не расплавляясь и не деформируясь при длительном воздействии высокой температуры.

Термическая стойкость определяется способностью материала выдерживать большое количество циклов резкого изменения температуры без разрушения.

Радиационная стойкость позволяет материалу сохранять свою структуру и свойства под действием ионизирующего излучения.

Химическая стойкость определяет способность материала сопротивляться действию кислот, щелочей, растворов солей и различных газов.

Долговечность материала – это свойство материала сохранять свои качества в условиях его эксплуатации.