Большая часть выплавляемого в доменных печах чугуна переделывается в сталь. Для этого из расплавленного чугуна выжигается углерод, но не до конца, а лишь до тех пор, пока его останется не более 2%.
Для каждого стального изделия нужно подобрать наиболее подходящий сорт стали. Так, железнодорожные колеса желательно изготовлять из мягкой, а поэтому вязкой стали, их ободья (бандажи)- из более твердой стали, так как иначе при трении о рельсы колеса быстро изотрутся, а оси, на которые насажены колеса,- из еще более твердой стали.
Твердость стали придает содержащийся в ней углерод. Но вот что получилось при забивании трех гвоздей в твердое дерево: один из них сломался при первом же ударе, второй затупился, согнулся, и шляпка его расплющилась. И только третий послушно вошел в дерево. А между тем все три гвоздя изготовлены из одной и той же марки стали, с одним и тем же содержанием углерода. Дело в том, что гвозди прошли разную термическую обработку.
Двигателем в наших часах служит стальная пружина, изготовленная на заводе. Заводя часы, мы ее скручиваем. Стремясь принять первоначальную форму, пружинка постепенно раскручивается и приводит в действие весь тонкий и сложный механизм часов. Но, если пружинку перекрутить, она сломается. Упругость и хрупкость- вот какие два свойства стали проявляются здесь. Первое свойство наряду с твердостью делает сталь почти незаменимым поделочным материалом. Со вторым же свойством поневоле приходится мириться.
Эти свойства стальное изделие получает во время закалки. Для закалки его нагревают, но не до температуры плавления, а лишь до превращения альфа-железа в гамма-железо, и дают время атомам углерода проникнуть в его кристаллы. Гамма-железо способно вбирать в себя до 2% углерода, но ведь в сталях и содержится не более 2% углерода.
Если теперь изделие медленно охладить, в нем произойдет то же, что в затвердевающем чугуне: освобождение железа от растворившегося в нем углерода.
Проделайте эту операцию со стальным пером, иголкой или кусочком стальной проволоки, и вы убедитесь, что материал неузнаваемо изменился. Он теперь совсем легко и послушно сгибается не ломаясь и уже не возвращается к первоначальной форме. Упругость и твердость, а вместе стем и хрупкость утрачены.Вновь нагрейте докрасна ваше изделие, но охладите его на этот раз быстро, бросив в холодную воду. В результате вы получите все ту же твердую, упругую, но хрупкую закаленную сталь.
При закалке стального изделия атомы углерода вследствие быстроты охлаждения не успевают выделиться из кристаллов железа. Эти "застрявшие" атомы и придают особые свойства закаленной стали.
Закалкой термическая обработка стального изделия не заканчивается. В закаленном состоянии сталь получает наивысшую твердость, но становится такой же хрупкой, как тот же чугун. Чтобы возвратить ей уничтоженные закалкой качества, изделие подвергается последней операции- отпуску. Его еще раз нагревают, но до сравнительно невысокой температуры. Стальной инструмент отпускается при температурах всего 120-150 градусов. При этом твердость его почти не снижается, а хрупкость уменьшается. Для пружин и рессор сохранение высокой твердости несущественно, поэтому их подвергают отпуску при более высоких температурах(300-400), при которых ценой значительной потери твердости достигается наибольшая упругость.