Привычная всем сталь – это сплав железа и углерода. Чистое железо ковкое и мягкое, область применения его ограничена. Разнообразный стальной прокат и изделия из стали значительно меняют твердость и ковкость при различной термообработке:
- Закалка стали состоит из нагрева до высоких температур и быстрого охлаждения в масле или воде. Так получается прочная, но хрупкая сталь.
- Отпуск стали – это противоположный процесс, отличающийся медленным остыванием после нагрева.
Правильная закалка и отпуск стального изделия позволяет получить «золотую середину» или материал с увеличенной прочностью и твердостью. Термическая обработка позволяет стали изгибаться перед разрушением и не ломаться хрупким способом, что может быть полезно во многих изделиях.
Сталь имеет легирующие компоненты, различный состав приводит к тому, что сплавы могут требовать различных времен разогрева и температур. А так же различных способов (скорости) охлаждения.
Материалы и оборудование
Для проведения опытов по закалке стали нам понадобится:
- газовая горелка или паяльная лампа;
- два стержня из стали марки 1040 (российский аналог: Ст. 40, или Ст. 49Г);
- емкость с водой для закалки.
Безопасность:
При проведении огневых работ должны быть предприняты дополнительные шаги по обеспечению надлежащей безопасности. Нагрев стали открытым огнем паяльной лампы потребует индивидуальных средств защиты (перчатки и очки). Кроме того потребуется огнетушитель, ведро с водой и кошма (листовой асбест).
Проведение работ по закалке стали
Еще раз проверяем наличие и исправность противопожарных и индивидуальных средств защиты. Приступаем к работе:
Согнем наши стержни в виде буквы «U».
Включим газ и зажжем газовую горелку. Убедитесь в том, что факел направлен от вас. Убедитесь, что никто другой не находится в пределах 1 метра от факела, пока он горит. Имейте огнетушитель рядом в случае чрезвычайной ситуации.
Помещаем изогнутую часть стержня «U» в самую горячую часть пламени, удерживая за два конца стального стержня.
Самая горячая часть пламени - маленький конус примерно на половине длины факела. Убедитесь, что вы вращаете стержень, пока он нагревается пламенем, так обеспечивается равномерность разогрева. В точке наибольшего нагрева начинается перестройка атомов железа, углерода и легирующих компонентов.
Когда стержень, в месте нагрева станет ярко-оранжевого цвета, выньте стержень из пламени и быстро окуните его в воду внутри емкости, как показано на фотографии (называется «гашение»). Гашение уменьшает движение атомов, и может быть проиллюстрировано как «замораживание» атомов стали на новом месте. В этот момент атомы находятся в неустойчивом положении.
Повторяем 3 и 4 шаги со вторым стальным стержнем.
Возьмите второй стальной стержень и закалите его, нагревая факелом в течение 10 секунд. Не закаляйте первый стальной стержень! Поместив его в емкость с водой, производим вторичную закалку или термический отпуск стали. Это позволяет атомам металла «расслабиться» и расположиться в более стабильном положении.
Выпрямляем оба стержня, чтобы проиллюстрировать разницу в механических свойствах. Первый стержень (стержень, который не был вторично закален), будет очень хрупким и будет ломаться, так как атомы не находятся в стабильном положении.
Второй стержень, который был вторично разогрет и закален (отпущен), согнется, но форма «U» останется. Так как этот стержень был закален и отпущен, атомам было позволено «расслабиться» до стабильного положения, материал стал прочнее и жестче, не утратив стойкости к деформациям.
Выводы
Данный пример самой простой закалки и отпуска низколегированной углеродистой стали показал возможности термической обработки и ее влияние на физические свойства металла.
