Jak hartować stal – eksperyment wizualny

Znana stal jest stopem żelaza i węgla. Czyste żelazo jest plastyczne i miękkie, jego zakres zastosowania jest ograniczony. Różnorodność walcowanej stali i wyrobów stalowych znacząco zmienia ich twardość i plastyczność przy różnych obróbkach cieplnych:

• Hartowanie stali polega na nagrzewaniu do wysokich temperatur i szybkim chłodzeniu w oleju lub wodzie. W ten sposób powstaje mocna, ale krucha stal.
  
• Odpuszczanie stali to proces odwrotny, charakteryzujący się powolnym chłodzeniem po nagrzaniu.

Właściwe hartowanie i odpuszczanie wyrobu stalowego pozwala uzyskać „złoty środek”, czyli materiał o podwyższonej wytrzymałości i twardości. Obróbka cieplna pozwala, aby stal wyginała się przed pęknięciem i nie pękała w sposób kruchy, co może być przydatne w wielu produktach.
Stal zawiera składniki stopowe; różne składy oznaczają, że stopy mogą wymagać różnych czasów ogrzewania i temperatur. Jak również różne metody chłodzenia (prędkości).

Materiały i ekwipunek

Do przeprowadzenia eksperymentów związanych z hartowaniem stali będziemy potrzebować:

• palnik gazowy lub lampa lutownicza;
  
• dwa pręty wykonane ze stali gatunku 1040 (rosyjski odpowiednik: St. 40 lub St. 49G);
  
• pojemnik z wodą do utwardzenia.

Bezpieczeństwo:
W przypadku wykonywania prac gorących należy podjąć dodatkowe kroki w celu zapewnienia odpowiedniego bezpieczeństwa. Ogrzewanie stali otwartym płomieniem z palnika wymaga osobistego wyposażenia ochronnego (rękawice i okulary). Ponadto będziesz potrzebować gaśnicy, wiadra z wodą i filcu (azbest w arkuszu).

Wykonywanie prac związanych z hartowaniem stali

Po raz kolejny sprawdzamy dostępność i przydatność środków ochrony przeciwpożarowej i osobistej. Zacznijmy:
Zegnijmy nasze pręty w kształcie litery „U”.

Włączmy gaz i zapalmy palnik gazowy. Upewnij się, że latarka jest skierowana w Twoją stronę. Upewnij się, że nikt inny nie znajduje się w odległości mniejszej niż 1 metr od płonącej pochodni. Na wypadek sytuacji awaryjnej należy mieć w pobliżu gaśnicę.

Umieść zakrzywioną część pręta w kształcie litery „U” w najgorętszej części płomienia, trzymając oba końce stalowego pręta.

Najgorętszą częścią płomienia jest mały stożek mniej więcej w połowie płomienia. Upewnij się, że obracasz pręt podczas podgrzewania płomieniem, aby zapewnić równomierne ogrzewanie. W punkcie największego ogrzewania rozpoczyna się restrukturyzacja atomów żelaza, węgla i składników stopowych.

Kiedy pręt po podgrzaniu zmieni kolor na jasnopomarańczowy, zdejmij pręt z płomienia i szybko zanurz go w wodzie znajdującej się w pojemniku, jak pokazano na zdjęciu (tzw. „Gaszenie”). Hartowanie ogranicza ruch atomów i można je zilustrować jako „zamrożenie” atomów stali w nowym miejscu. W tym momencie atomy znajdują się w niestabilnej pozycji.

Powtórz kroki 3 i 4 z drugim stalowym prętem.

Weź drugi stalowy pręt i utwardzaj go, podgrzewając palnikiem przez 10 sekund. Nie utwardzaj swojego pierwszego stalowego pręta! Umieszczając go w pojemniku z wodą, wykonujemy wtórne hartowanie lub odpuszczanie cieplne stali.Pozwala to atomom metalu „rozluźnić się” i zająć bardziej stabilną pozycję.
Prostujemy oba pręty, aby zilustrować różnicę we właściwościach mechanicznych. Pierwszy pręt (pręt, który nie został utwardzony po raz drugi) będzie bardzo kruchy i pęknie, ponieważ atomy nie znajdują się w stabilnej pozycji.

Drugi pręt, który został ponownie podgrzany i hartowany (odpuszczany), ugnie się, ale kształt litery „U” pozostanie. Ponieważ pręt ten został hartowany i odpuszczany, atomom pozwolono „rozluźnić się” do stabilnej pozycji, materiał stał się mocniejszy i sztywniejszy, nie tracąc przy tym swojej odporności na odkształcenia.

wnioski

Ten przykład najprostszego hartowania i odpuszczania niskostopowej stali węglowej pokazał możliwości obróbki cieplnej i jej wpływ na właściwości fizyczne metalu.
Oryginalny artykuł w języku angielskim