Тарабанов В.Н. Критическое материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

121

в очаговых зонах. Это, как правило, свидетельствует о протекании

процесса низкотемпературного пиролиза и ориентирует

эксперта в вопросе о мощности источника зажигания и

характере развития горения на начальной его стадии.

Все органические вещества и материалы можно разделить на

две основные группы:

– термореактивные материалы, карбонизация которых

происходит, минуя стадию размягчения (перехода в пластическое

состояние); эти вещества и материалы (древесина, целлюлозные

материалы, некоторые полимеры) образуют углеродные останки с

развитой пористой структурой;

– термопластичные материалы, которые, переходя при

нагревании в пластичное состояние, при дальнейшей карбонизации

образуют непористые или вспененные углеродные останки.

Текстура термопластичных материалов, как правило, имеет

весьма слабые связи с морфологическими особенностями

исходного материала. Иное дело – термореактивные материалы,

сохраняющие такие особенности. Наиболее эффективным методом

их выявления может быть микроскопия – обычная оптическая или

растровая

электронная.

Рис.18. Результаты измерения электросопротивления поверхностного слоя

угля обугленного с 4-х сторон деревянного столба.

Дифференциация обугленных останков текстильных

волокон и тканей. Для дифференциации материалов по типу

волокнообразующего полимера можно использовать комплекс

методов, включающих морфологический, химический,

элементоорганический микроанализы, дифференциальный

122

термический анализ, пиролитическую газовую хроматографию.

Однако основным и наиболее информативным методом является

морфологический анализ. Исследование проводится в отраженном

свете, с помощью работающих в этом режиме микроскопов и в

несколько этапов.

На первом этапе с помощью стереоскопических микроскопов

изучаются внешние признаки карбонизованного остатка. Ткани

(плательная, сорочечная, плащевая, пальтовая), трикотаж различного

состава

имеют морфологическую картину в зависимости от состава

волокна и температуры пиролиза. На стадии карбонизации (350-400

°С) при неплавящихся основных компонентах они дают обугленный

остаток черного цвета с сохранением переплетения, свойственного

ткани, либо пористо-ячеистую структуру черного и коричневого

цветов без сохранения рельефа (ткани пальтовые состава ВШрс 90 % +

ВПА 10 %; ВШрс 45 % + ВПЭФ 55 %). При более

высоких

температурах, после выгорания карбонизованного углерода (450 °С и

выше) от тех и других материалов остается лишь зола различных

оттенков и возможности дифференциации, видимо, окончательно

утрачиваются.

Термическая деструкция полимера начинается с отщепления

наименее термостойких фрагментов макромолекулы и деструкции

соответствующих структурных групп. Происходит это за счет разрыва

связей C-N, С-Н, C-О. У

отдельных полимеров термическая

деструкция включает и процесс деполимеризации. Так например,

термическое разложение поливинилхлорида начинается с его

дегидрохлорирования (отщепления хлористого водорода) при 240 °С.

У хлорированного полиэтилена эта реакция протекает при 135-168 °С;

у сульфохлорированного полиэтилена (хайпалона) разложение

начинается с выделения сернистого ангидрида и хлористого водорода

в интервале температур 125-150 °С. Поливинилхлорид к 260 °С теряет

за счет разложения 50 % своей массы. У полистирола, например, такая

степень разложения достигается при нагреве до 364 °С, у

полиметилметакрилата (оргстекла) – до 327 °С.

Определение величины зольности и величины убыли

органической части позволяют определять зоны термических

поражений окрашенных конструкций и температурные зоны более

точно и безошибочно, нежели по цветности обгоревшего покрытия.

Поэтому трудозатраты

на отбор и анализ проб обычно бывают

оправданны.

123

§5. Установление причины разрушения проводника на

пожаре

Предварительный вывод о причине разрушения проводника

позволяет сделать уже визуальный осмотр. Оплавления, возникшие

в результате действия электрической дуги при коротком

замыкании, носят локальный характер и имеют округлую форму,

вид косого среза или кратера. Сечение проводника при этом, если и

изменено, то лишь вблизи места

оплавления, на небольшом

участке. Для проводников, оплавленных в результате термического

воздействия пожара, характерна протяженная зона оплавления,

значительные изменения сечения по длине провода. Еще один

признак – при наличии сверхтока КЗ в проводнике изоляция

отслаивается от жилы и легко снимается. В то же время, при

нагреве внешними тепловыми потоками в ходе пожара, изоляция

способна размягчаться, течь, но в остальных ненагретых местах

плотно прилегает к проводнику.

Кроме КЗ, имеется еще один вид аварийного режима, который

может оплавить или разрушить проводник – перегрузка. При этом

формируются визуальные признаки и даже структура металла,

очень похожие на признаки оплавления провода под действием

внешних тепловых потоков (термического воздействия пожара).

Тем не менее, задача дифференциации перегрузки и оплавлений,

возникших в результате воздействия высокой температуры пожара,

может быть решена.

Таблица 19.

Критерии дифференциации оплавлений алюминиевых проводников.

Короткое замыкание до пожара Короткое замыкание во время пожара

Осмотр

1. Локальные растрескивания по

границам зерен в поверхностном слое

зоны оплавления

1. Структура из плотно упакованных

неравноосных зерен различного

размера в поверхностном слое зоны

оплавления

2. Характер обугливания изоляции (если она сохранилась):

обуглена только изнутри обуглена с двух сторон

Рентгеноструктурный анализ

1. Наличие на рентгенограмма

радиально вытянутых пятен – полос

астеризма

на малых углах отражения:

упорядоченных мелких рефлексов,

ориентированных по дугам

окружностей

124

Металлография

1. Структура в месте оплавления:

структура быстрой кристаллизации –

вытянутые столбчатые зерна

равноосная литая структура

2. Газовые раковины и поры внутри оплавлений:

нет есть

Анализ на углерод

1. Содержание углерода на оплавленном участке проводника:

менее 0,02-0,03 % более 0,05 %

Таблица 24.

Критерии дифференциации коротких замыканий в медных проводниках.

Короткое замыкание до пожара Короткое замыкание во время пожара

Осмотр

1. Оплавленный участок вытянут вдоль

оси проводника и локален

1. По длине проводника могут

наблюдаться небольшие шарообразные

наплывы меди

2. Поверхность капли – гладкая без

газовых пор и вырывов

2. На поверхности оплавления могут

наблюдаться газовые поры и вырывы

3. Если изоляция сохранена, она обуглена

только изнутри

3. При сохранении изоляции, она

обуглена с двух сторон

Рентгеноструктурный анализ

Дифрактометрия

1. Соотношение интегральных

интенсивностей линий закиси меди и

металлической меди J Cu

O/JCu на

примыкающем коплавлению участке в

два и более раз выше, чем на участке,

отстоящем на 30 ммот места оплавления

1. Соотношение интегральных

интенсивностей линий закиси меди

иметаллической меди J Cu

O/JCu на

примыкающем к оплавлению участке в

два и более раз ниже, чем на участке,

отстоящем на 30 мм от места

оплавления

Фотометод

1. Интенсивность линий закиси меди на

рентгенограммах, снятых с

примыкающего участка, выше

интенсивности линий закиси меди на

отстоящем участке (при одинаковой

интенсивности линий меди)

1. Интенсивность линий закиси меди

на рентгенограммах, снятых с

примыкающего участка, ниже

интенсивности линий закиси меди на

отстоящем участке (при одинаковой

интенсивности линий меди)

Металлографический анализ

1. В месте оплавления наблюдается

структура быстрой кристаллизации –

столбчатые дендриты (при содержании

кислорода в месте оплавления не более

0,39 % по ГОСТ 13.938. 13-77)

1. В месте оплавления наблюдается

равноосная литая структура

2,а. В месте оплавления по границам

дендритов наблюдается эвтектика Cu-

2, а. В месте оплавления по границам

дендритов наблюдается эвтектика Сu-

125

Короткое замыкание до пожара Короткое замыкание во время пожара

O.Массовая доля кислорода в меди в

пределах от 0,06 % до 0,39 %

Сu

О. Массова

доля кислорода в меди

не превышает 0,06 °/с

2,6. Структура меди в месте оплавления

состоит из эвтектики Cu-Cu

O (при

содержании в месте оплавления 0,39 %

кислорода)

2,6. В месте оплавления по границам

равноосных литых зерен эвтектика

отсутствует

2, в. Структура меди в месте оплавления

состоит из эвтектики Cu-Cu

O с

включениями первичных кристаллов

Си

О (при содержании в месте

оплавления более 0,39 % кислорода)

3. Газовые раковины и поры отсутствуют

3. Внутри оплавлений имеются

газовые раковины и поры

Если морфологический анализ не позволяет эксперту

однозначно решить вопрос о причине разрушения провода, то

можно и нужно проводить металлографические исследования.

В табл. 19 – 20 приведены основные критерии

дифференциации коротких замыканий в алюминиевых и медных

проводниках.

§6. Самовозгорание веществ

Самовозгорание, как известно, есть процесс возникновения

горения при отсутствии постороннего источника зажигания. Это

становится

возможным, если увеличение скорости экзотермических

реакций в материале или скорость выделения тепла при

взаимодействии каких-либо веществ превышает его потерю в

окружающую среду. Такое развитие событий приводит к

последовательному, автокаталическому разогреву материала

вплоть до температур его активного термического разложения,

возникновению тления, а затем и пламенного горения. В

зависимости от первичного

импульса, «запускающего» механизм

саморазогрева материала, различают: тепловое, химическое и

микробиологическое самовозгорание.

Версия о самовозгорании обычно рассматривается в том

случае, если в зоне очага на момент пожара явно отсутствовал

источник зажигания или имеются характерные признаки

самовозгорания.

126

Тепловое самовозгорание. Тепловое самовозгорание

возникает при нагревании вещества (материала) до температуры, по

достижении которой в нем начинаются процессы, приводящие к

саморазогреву за счет экзотермических реакций. Процессы эти

идут с достаточно высокой скоростью, самоускоряясь по мере

повышения температуры. Процесс теплового самовозгорания

обычно начинается в глубине материала, где указанные тепловые

потери минимальны и

имеются вследствие этого условия для

самовозгорания. Затем волна тления вещества постепенно

продвигается к внешним слоям. Данное расположение очага (в

массе материала, а не на его поверхности) является важным

квалификационным признаком самовозгорания, позволяющим в

отдельных случаях отличить такой пожар от загорания материала в

результате попадания искр, частиц металла при сварке, источников

открытого огня и т.п.

Самовозгорание реализуется при выполнении двух условий:

- материал (твердое вещество) должен быть достаточно

пористым для обеспечения проникновения в массу его воздуха

(кислорода);

- материал в процессе термического разложения должен

давать твердый углистый остаток, в котором может происходить

тление.

Непременной стадией экспертного анализа версии о

самовозгорании

или воспламенении, как причине пожара должна

быть оценка возможности такого развития событий, исходя из

сопоставления соответствующих пожароопасных характеристик

вещества (материала) и условий, в которых это могло произойти

(температуры нагрва материала или температуры окружающей

среды, толщины слоя вещества и др.).

Различные марки пенополиуретанов активно разлагаются уже

при температурах около 200 и 300

° С. Для этого необходимо

выявить корреляционные связи общепринятых пожароопасных

характеристик веществ, определенных стандартными методами, с

информацией, получаемой методом ТГ- и ДТА. Пэрэусани с

соавторами предложили использовать метод ТГ- и ДТА для

определения температуры самовоспламенения углей и других

углеродосодержащих материалов (табл. 20.).

127

Таблица 20.

Сравнительные данные по определению температуры самовоспламенения

бурых и каменных углей методом ДТА и классическим методом (аппарат

Феделера).

Тем. самовоспл., °С

Образцы Летучие в-ва, % Углерод, %

ДТА класс. метод

Бурый уголь,

лигниновый

58,51 57,25 210 250

Бурый уголь,

блестящий

46,35 71,35 320 330

Каменный уголь 43,25 73,85 340 350

то же 42,65 74,25 290 305

то же 41,35 75,65 285 315

Каменный уголь,

газовый

40,27 76,28 270 295

Камен. уголь,

коксующийся

39,64 77,64 280 290

то же 31,10 80,20 280 310

Определенную информацию может давать и

термогравиметрическая кривая (кривая убыли массы образца при

нагревании). Важно отметить достаточно близкие значения

температуры воспламенения, определенной по стандартному

методу для некоторых исследованных разновидностей морских

опасных грузов, с температурой начала потери массы при

термогравиметрических исследованиях на деривиаторе.

Температура же самовоспламенения близка к температуре потери

50 % массы образца

(табл. 21).

Таблица 21

Показатели пожарной опасности и термогравиметрические параметры

некоторых опасных грузов

Температура, °С

Наименование

воспламенения начала терм.

разложения

по кривой

самовоспла

менения

потери

50%

массы

по

кривой

Хлопок 210 260 407 328

Регенерат резины 310 280 410 460

Сера 207 210 232 290

128

Микробиологическое самовозгорание. Микробиологическое

самовозгорание характерно для органических дисперсных и

волокнистых материалов, внутри которых возможна

жизнедеятельность микроорганизмов. В основном это

растительные материалы – сено, солома, овощи, зерно, фрезерный

торф и др., причем в недосушенном виде. Первичное

самонагревание массы происходит за счет тепла, выделяемого

микроорганизмами (так называемый эффект «самонагревания

влажного сена»).

Низкая влажность

сена – до 16 % (у комбикормов 12 – 14 %)

не способствует развитию термофильных микроорганизмов и такие

корма практически безопасны. Когда же влажность превышает 20

% а, особенно, составляет 63 – 92 % масс., в растительной массе

создаются идеальные условия для развития и размножения

указанных микроорганизмов. В результате протекающих при этом

экзотермических реакций сено разогревается, в нем образуются

локальные зоны частично термически

деструктурированного

(«бурого») сена.

При повышении температуры сена микроорганизмы гибнут

(60 – 70

° С), но запущенный ими механизм автокаталитического

экзотермического разложения продолжается уже за счет процессов

окисления. Сено чернеет, в нем постепенно разлагается клетчатка,

и сено переходит в пирофорное состояние. При температуре около

250

° С оно начинает тлеть, а затем (как только тлеющая зона

достигнет слоев, где достаточно кислорода воздуха)

воспламеняется.

Глава 3. Экспрессное материаловедение [16]

§1. Идентификация металлических материалов

Идентификация листового металла по коэффициенту

термического расширения. В отличие от производства, где все

используемые материалы строго контролируются и маркируются, в

условиях ЧС, при проведении экспертизы в полевых условиях и т. д.,

когда материал применяют одноразово и в небольшом количестве,

паспортные данные и сертификаты на них часто

отсутствуют.

Вследствие этого употребляются материалы неизвестной марки либо

химические реактивы недостаточной чистоты, что может привести к

129

порче узла, прибора или лабораторной установки, а также к

получению недостоверных результатов эксперимента. Как правило,

не имея контрольной материаловедческой аппаратуры и приборов,

работники должны полагаться на тех, кто предоставил им материал

или, что значительно хуже, выбирать материал «на глазок».

В практическом материаловедении существует много

проверенных на практике способов, позволяющих без

специальных

приборов идентифицировать используемый материал или вещество.

Когда результаты лабораторного эксперимента, либо параметры

разрабатываемого прибора или устройства могут зависеть от

примененного конструкционного материала, его марка должна быть

определена более точными способами. В таких случаях необходимо

использовать материал с достоверными паспортными данными.

Если при спользовании конструкционного материала

неизвестной марки имеются сомнения в

чистоте и составе, то

употреблять его не следует. В этом случае следует руководствоваться

правилом, принятым у химиков: «Если есть сомнение в реактиве, его

надо выбросить».

Идентификация металлических материалов заключается в

определении некоторых специфических для данного материала

свойств: коэффициента термического расширения,

теплопроводности, температуры плавления, плотности,

электросопротивления, магнитных свойств, окисляемости на воздухе,

характера взаимодействия с химическими реагентами и др. Ниже

приведены несколько примеров.

Как отличить бронзу от латуни. Бронзу от латуни любых

марок можно отличить по следующим признакам. После нагрева на

воздухе до температуры 600—650°С (темно-красное каление)

поверхность латуни покрывается тонким пепельным налетом оксида

цинка. На бронзе такого налета не образуется.

Латунь после нагрева отжигается и становится более

пластичной. Бронза после нагрева механические свойства не

изменяет.

При остром изгибе на 90° даже нагартованный образец из

латуни не разрушится. Образец из бронзы сломается; на месте излома

будет крупнокристаллическая структура.

При обработке резанием бронза образует мелкосыпучую

стружку.

Специальные легированные марки бронзы (бериллиевая,

фосфористая и др

.) отличаются от латуни высокими упругими

свойствами.

130

Определение возможности взаимодействия металла с газом

или жидкостью. Возможность химического взаимодействия газа или

жидкости с металлом определяют следующим способом. Образец

металла с отполированным и обезжиренным участком поверхности

помещают в атмосферу газа или погружают в жидкость, влияние

которых на металл требуется определить. Если после

продолжительного пребывания (несколько часов) в газовой или

жидкой

среде полировка поверхности не потускнеет и не изменится

ее цвет, то это свидетельствует о том, что находящиеся в контакте с

металлом газ или жидкость на него не действуют.

По степени потускнения полировки либо интенсивности

окраски можно судить об активности взаимодействия между

металлом и окружающей его средой. Активизировать процесс

взаимодействия можно

повышением температуры металла или

жидкости, в которой он находится, а также увеличением времени

взаимодействия. Описанным способом можно оценить степень

взаимодействия с окружающей средой также многих

неметаллических материалов.

Определение наличия свинца в олове. Для качественного

экспрессного определения наличия свинца в олове можно

воспользоваться старинным рецептом. В стеклянную пробирку

помещают кусочек подлежащего

обследованию олова и заливают его

концентрированной соляной кислотой. Затем туда же добавляют

несколько капель азотной кислоты. Через некоторое время, которое

можно сократить нагревом пробирки. олово растворится. В

образовавшийся прозрачный раствор капают несколько капель

серной кислоты. При отсутствии в олове свинца жидкость в

пробирке останется прозрачной, при небольшом количестве —

помутнеет, а при

большом количестве — в жидкости образуются

хлопья.

§2. Идентификация неметаллических материалов

Экспресс – метод определения материала пластмассы. Как

и при экспрессной идентификации металлических материалов,

твердые неметаллические материалы (пластмассы, стекла, керамика

и др.) определяют, оценивая специфические для данного материала

свойства.

Материал неизвестной пластмассы, например, можно

определить по характеру пламени и запаху

при ее сгорании (табл.

22.). Для достоверности экспресс - идентификации пластмасс кроме