Wie man Stahl härtet – ein visuelles Experiment

Der bekannte Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Reines Eisen ist formbar und weich, sein Anwendungsbereich ist begrenzt. Eine Vielzahl von Walzstahl und Stahlprodukten verändern ihre Härte und Duktilität durch unterschiedliche Wärmebehandlungen erheblich:

• Das Härten von Stahl erfolgt durch Erhitzen auf hohe Temperaturen und schnelles Abkühlen in Öl oder Wasser. Dadurch entsteht starker, aber spröder Stahl.
  
• Das Anlassen von Stahl ist der gegenteilige Prozess, der durch langsames Abkühlen nach dem Erhitzen gekennzeichnet ist.

Durch ordnungsgemäßes Abschrecken und Anlassen eines Stahlprodukts erhalten Sie eine „goldene Mitte“ oder ein Material mit erhöhter Festigkeit und Härte. Durch die Wärmebehandlung kann sich der Stahl biegen, bevor er bricht, und nicht spröde brechen, was bei vielen Produkten nützlich sein kann.
Stahl hat Legierungsbestandteile; unterschiedliche Zusammensetzungen bedeuten, dass die Legierungen unterschiedliche Erhitzungszeiten und Temperaturen erfordern können. Sowie verschiedene Kühlmethoden (Geschwindigkeiten).

Materialien und Ausrüstung

Um Experimente zur Stahlhärtung durchzuführen, benötigen wir:

• Gasbrenner oder Lötlampe;
  
• zwei Stäbe aus Stahl der Güteklasse 1040 (russisches Äquivalent: St. 40 oder St. 49G);
  
• Behälter mit Wasser zum Aushärten.

Sicherheit:
Bei Heißarbeiten müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um eine ausreichende Sicherheit zu gewährleisten. Das Erhitzen von Stahl mit offener Flamme einer Lötlampe erfordert persönliche Schutzausrüstung (Handschuhe und Schutzbrille). Darüber hinaus benötigen Sie einen Feuerlöscher, einen Eimer Wasser und Filz (Asbestplatten).

Durchführung von Stahlhärtungsarbeiten

Erneut prüfen wir die Verfügbarkeit und Gebrauchstauglichkeit der Brandbekämpfungs- und persönlichen Schutzausrüstung. Lass uns anfangen:
Biegen wir unsere Stäbe in Form des Buchstabens „U“.

Lasst uns das Gas aufdrehen und den Gasbrenner anzünden. Stellen Sie sicher, dass die Taschenlampe von Ihnen weg zeigt. Stellen Sie sicher, dass sich während des Brennens keine andere Person im Umkreis von 1 Meter um die Fackel aufhält. Halten Sie für den Notfall einen Feuerlöscher in der Nähe bereit.

Legen Sie den gebogenen Teil des „U“-Stabs in den heißesten Teil der Flamme und halten Sie dabei die beiden Enden des Stahlstabs fest.

Der heißeste Teil der Flamme ist ein kleiner Kegel etwa in der Mitte der Flamme. Stellen Sie sicher, dass Sie den Stab drehen, während er von der Flamme erhitzt wird, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten. An der Stelle der größten Erwärmung beginnt die Umstrukturierung der Atome von Eisen, Kohlenstoff und Legierungsbestandteilen.

Wenn der Stab an der Stelle, an der er erhitzt wird, eine leuchtend orange Farbe annimmt, nehmen Sie den Stab aus der Flamme und tauchen Sie ihn schnell in das Wasser im Behälter, wie auf dem Foto gezeigt (sogenanntes „Abschrecken“). Das Abschrecken reduziert die Bewegung von Atomen und kann als „Einfrieren“ von Stahlatomen an einem neuen Ort dargestellt werden. In diesem Moment befinden sich die Atome in einer instabilen Position.

Wiederholen Sie die Schritte 3 und 4 mit der zweiten Stahlstange.

Nehmen Sie den zweiten Stahlstab und härten Sie ihn aus, indem Sie ihn 10 Sekunden lang mit einem Brenner erhitzen. Härten Sie Ihren ersten Stahlstab nicht aus! Indem wir ihn in einen Behälter mit Wasser geben, führen wir eine Sekundärhärtung oder thermisches Anlassen des Stahls durch.Dadurch können sich die Metallatome „entspannen“ und eine stabilere Position einnehmen.
Wir richten beide Stäbe gerade, um den Unterschied in den mechanischen Eigenschaften zu veranschaulichen. Der erste Stab (der Stab, der nicht ein zweites Mal gehärtet wurde) wird sehr spröde sein und brechen, weil die Atome nicht in einer stabilen Position sind.

Der zweite Stab, der erneut erhitzt und abgeschreckt (vergütet) wurde, wird sich biegen, aber die „U“-Form bleibt erhalten. Da dieser Stab vergütet wurde, konnten sich die Atome in eine stabile Position „entspannen“, wodurch das Material fester und steifer wurde, ohne seinen Widerstand gegen Verformung zu verlieren.

Schlussfolgerungen

Dieses Beispiel des einfachsten Abschreckens und Anlassens von niedriglegiertem Kohlenstoffstahl zeigte die Möglichkeiten der Wärmebehandlung und ihre Auswirkung auf die physikalischen Eigenschaften des Metalls.
Originalartikel auf Englisch