Jak kalit ocel - vizuální experiment

Známá ocel je slitina železa a uhlíku. Čisté železo je tvárné a měkké, rozsah jeho použití je omezený. Různé válcované oceli a výrobky z oceli výrazně mění svou tvrdost a tažnost různými tepelnými úpravami:

• Kalení oceli spočívá v zahřátí na vysoké teploty a rychlém ochlazení v oleji nebo vodě. Tím vzniká pevná, ale křehká ocel.
  
• Kalení oceli je opačný proces, který se vyznačuje pomalým chlazením po zahřátí.

Správné kalení a temperování ocelového výrobku umožňuje získat „zlatý průměr“ nebo materiál se zvýšenou pevností a tvrdostí. Tepelné zpracování umožňuje oceli, aby se před zlomením ohnula a nelámala se křehkým způsobem, což může být užitečné u mnoha výrobků.
Ocel má legující složky; různé složení znamená, že slitiny mohou vyžadovat různé doby ohřevu a teploty. Stejně jako různé způsoby chlazení (rychlosti).

Materiály a vybavení

K provádění experimentů s kalením oceli budeme potřebovat:

• plynový hořák nebo hořák;
  
• dvě tyče vyrobené z oceli třídy 1040 (ruský ekvivalent: St. 40 nebo St. 49G);
  
• nádoba s vodou na kalení.

Bezpečnost:
Při provádění prací za tepla je třeba podniknout další kroky k zajištění dostatečné bezpečnosti. Ohřívání oceli otevřeným plamenem z hořáku bude vyžadovat osobní ochranné prostředky (rukavice a brýle). Kromě toho budete potřebovat hasicí přístroj, kbelík s vodou a plsť (azbest).

Provádění kalení oceli

Opět prověřujeme dostupnost a provozuschopnost hasičských a osobních ochranných prostředků. Začněme:
Ohneme naše tyče do tvaru písmene "U".

Zapneme plyn a zapálíme plynový hořák. Ujistěte se, že svítilna směřuje od vás. Ujistěte se, že nikdo jiný není v okruhu 1 metru od hořáku, když hoří. Pro případ nouze mějte poblíž hasicí přístroj.

Umístěte zakřivenou část "U" tyče do nejžhavější části plamene, přičemž držte dva konce ocelové tyče.

Nejžhavější částí plamene je malý kužel zhruba v polovině plamene. Ujistěte se, že tyč otáčíte, když je ohřívána plamenem, abyste zajistili rovnoměrné zahřívání. V bodě největšího ohřevu začíná restrukturalizace atomů železa, uhlíku a legujících složek.

Když tyčinka na místě zahřátí získá jasně oranžovou barvu, sejměte tyčinku z plamene a rychle ji ponořte do vody uvnitř nádoby, jak je znázorněno na fotografii (tzv. „zhášení“). Zhášení snižuje pohyb atomů a lze jej znázornit jako „zamrznutí“ atomů oceli na novém místě. V tuto chvíli jsou atomy v nestabilní poloze.

Opakujte kroky 3 a 4 s druhou ocelovou tyčí.

Vezměte druhou ocelovou tyč a ztvrdněte ji zahříváním hořákem po dobu 10 sekund. Nekalte svou první ocelovou tyč! Umístěním do nádoby s vodou provádíme sekundární kalení nebo tepelné popouštění oceli.To umožňuje atomům kovu „relaxovat“ a usadit se do stabilnější polohy.
Obě tyče narovnáme, abychom ilustrovali rozdíl v mechanických vlastnostech. První tyč (tyč, která nebyla tvrzená podruhé) bude velmi křehká a zlomí se, protože atomy nejsou ve stabilní poloze.

Druhá tyč, která byla znovu zahřátá a kalená (temperovaná), se ohne, ale tvar „U“ zůstane. Protože byla tato tyč zchlazena a temperována, atomy se nechaly „uvolnit“ do stabilní polohy, materiál se stal pevnějším a tužším, aniž by ztratil odolnost vůči deformaci.

závěry

Tento příklad nejjednoduššího kalení a popouštění nízkolegované uhlíkové oceli ukázal možnosti tepelného zpracování a jeho vliv na fyzikální vlastnosti kovu.
Původní článek v angličtině