Что происходит при закалке

Еще в средние века славились дамасские сабли и клинки своей остротой и гибкостью. Таким клинком, который изгибался почти в кольцо, можно было разрубить в воздухе подброшенный газовый шарф.
Сирийские мастера скрывали способы обработки стали, из которой они изготовляли такие сабли. Но в наше время уже известно, как придать стали высокие качества различными видами обработки.
Чтобы сделать сталь очень твердой, ее подвергают закалке. Этот способ обработки был известен еще европейским кузнецам средневековья, и описание его осталось в старинной литературе.
Для закалки напильника, сверла или клинка их нагревали до белого каления, обсыпав порошком обугленного рога, смешанным с солью. Раскаленные изделия погружались затем в холодную воду и приобретали большую твердость.
Почему после такой обработки сталь становится тверже? Это долго оставалось загадкой. Даже значительно позднее, когда мастера при закалке давно уже обходились без порошка сожженного рога, никто не мог объяснить, почему в процессе закалки сталь приобретает новые свойства.
Ответить на этот вопрос стало возможным только после изучения строения металлов.
При нагревании до белого каления сталь размягчается, и большая часть ее кристалликов разрушается.
Когда же закаляемый инструмент погружается в холодную воду, поверхностный слой охлаждается и затвердевает очень быстро. Поэтому образующиеся кристаллические зерна так мелки, что их трудно различить при обычно применяемом для рассматривания увеличении.
Чем мельче зерна металла, тем крепче они связаны между собой. Этим и объясняется большая твердость поверхностного слоя закаленной стали.
Можно воздействовать на качество стали и другими способами — проковкой, прокаткой, протяжкой. От подобной холодной обработки сталь делается более вязкой и гибкой, не теряя твердости.
Как же влияет такая обработка на строение металла?
Советские физики Н. Е. Успенский и С. Т. Конобеевский исследовали ее влияние. Они доказали, что причина приобретения новых качеств сталью — изменение ее текстуры, то есть расположения отдельных зерен в металле. Каждое зерно металла имеет неправильную форму, атомы в нем расположены в строгом порядке, в соответствии с кристаллической решеткой. По отношению же друг к другу зерна ориентированы беспорядочно. И вот холодная обработка металла упорядочивает  относительное расположение зерен.



Например, в результате прокатки металлические зерна могут расположиться так, что плоскости наибольшей сгущенности атомов станут взаимно параллельными. Такое упорядочение распределения зерен придает стали гибкость и вязкость.

На рисунке слева зерна металла расположены беспорядочно, справа — упорядоченное расположение, когда плоскости наибольшей густоты атомов взаимно параллельны.

Еoе более удивительны свойства, приобретаемые при закалке стеклом. Уже давно обратили на себя внимание так называемые «батавские слезки» —  застывшие в холодной воде капли расплавленного стекла. Они имеют грушевидную форму с острым, изогнутым в сторону кончиком.
«Слезка» выдерживает сильные удары. Но, если отломить ее тонкий кончик, она мгновенно и со взрывом распадается на мельчайшие осколки. Такой опыт опасен. Его можно сделать, погрузив «слезку» в стакан с водой. При этом от взрыва стакан почти всегда лопается.
В наше время закаленное стекло широко применяется в технике. Из него делают так называемые небьющиеся стекла для вагонных окон, автомобилей, самолетов...
Для закаливания стекло нагревают до 600 — 650 градусов, а затем быстро охлаждают в струе холодного воздуха. Закаленное стекло толщиной 5 — 6 миллиметров выдерживает удар шара весом 800 граммов при падении его с высоты 120 сантиметров. Разбиваясь, оно рассыпается на мелкие кусочки без острых режущих краев.
В чем же причина этих новых свойств закаленного стекла? Ответ дает изучение его молекулярного строения.
При быстром остывании поверхностного слоя частицы стекла закрепляются в так называемом «неравновесном состоянии». Их относительное положение можно сравнить с неустойчивым равновесием тел, опирающихся на точку, лежащую ниже центра тяжести. При нарушении целостности стекла его частицы теряют равновесие и рассыпаются.
Проникнув в тайны мира атомов и действующих между ними сил, удалось разрешить и другие загадки техники. Такой загадкой, например, являлся один из способов обогащения руд — так называемая флотация. Открытие этого способа стало важнейшим этапом развития современного горного дела.


Загадки техники