Наглядный эксперимент: как закалить сталь в домашних условиях ( 10 фото )

Обычная сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Само по себе железо довольно мягкое и пластичное, что сужает спектр его использования. Однако различные виды стального проката и изделий могут кардинально менять свои характеристики — твёрдость и ковкость — в зависимости от применяемой термической обработки.

• Процесс закалки металла включает нагрев до высоких температур с последующим быстрым охлаждением в воде или масле. В результате получается твёрдый, но хрупкий материал.
• Отпуск стали — это обратная процедура, характеризующаяся медленным охлаждением после нагрева.

Грамотное сочетание закалки и отпуска стальной детали позволяет достичь оптимального баланса, создавая материал с повышенной прочностью и твёрдостью. Благодаря термической обработке сталь приобретает способность гнуться до разрушения, а не ломаться хрупко, что крайне важно для многих изделий.

В состав стали входят легирующие элементы, и разный химический состав сплавов диктует необходимость различных температур и времени нагрева, а также способов (скорости) охлаждения.

Материалы и оборудование

Для проведения опыта по закалке металла потребуется:

• газовая горелка или паяльная лампа;
• два стальных прутка марки 1040 (российский аналог: Ст.40 или Ст.49Г);
• ёмкость с водой для закалки.

Безопасность: При выполнении работ с открытым огнем необходимо принять дополнительные меры предосторожности. Нагрев стали пламенем паяльной лампы требует использования средств индивидуальной защиты (перчаток и очков). Также понадобятся огнетушитель, ведро с водой и кошма (асбестовое полотно).

Проведение работ по закалке стали

Ещё раз проверяем наличие и исправность противопожарных средств и средств защиты. Приступаем к работе: Сгибаем наши прутки в форме буквы «U».

Включаем газ и зажигаем горелку. Убедитесь, что факел направлен от вас. Проверьте, чтобы в радиусе одного метра от пламени никого не было. Держите огнетушитель поблизости на случай чрезвычайной ситуации.

Помещаем изогнутую часть прутка «U» в самую горячую зону пламени, удерживая его за оба конца.

Самая горячая часть пламени — это небольшой конус примерно на половине длины факела. Не забывайте вращать пруток во время нагрева для обеспечения равномерности. В точке максимального нагрева начинается перестройка атомной решётки железа, углерода и легирующих добавок.

Когда место нагрева прутка станет ярко-оранжевым, быстро извлеките его из пламени и опустите в ёмкость с водой (это называется «закалкой» или «гашением»). Гашение резко замедляет движение атомов, что можно сравнить с «заморозкой» атомов стали в новых позициях. В этот момент атомы находятся в метастабильном состоянии.

Повторяем шаги 3 и 4 со вторым стальным прутком.

Возьмите второй пруток и закалите его, нагревая в пламени в течение 10 секунд. Первый пруток больше не закаливайте! Поместив его в воду, мы проводим вторичную закалку, или термический отпуск стали. Это позволяет атомам металла «расслабиться» и занять более стабильное положение.

Выпрямляем оба прутка, чтобы наглядно продемонстрировать разницу в механических свойствах. Первый пруток (который не подвергался вторичному отпуску) будет очень хрупким и сломается, так как его атомы не стабилизировались.

Второй пруток, который прошёл вторичный нагрев и отпуск, согнётся, но сохранит U-образную форму. Поскольку этот образец был закалён и отпущен, атомам позволили «расслабиться» до стабильного состояния, в результате материал стал прочнее и жёстче, не потеряв устойчивости к деформациям.

Выводы

Этот простой пример закалки и отпуска низколегированной углеродистой стали наглядно демонстрирует возможности термической обработки и её влияние на физические характеристики металла.

Как вы думаете, где в быту или хобби может пригодиться умение правильно закаливать металл?