Материаловедение и термическая обработка

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Кафедра металловедения и физики прочности
С.А. Никулин 
В.Ю. Турилина 
Материаловедение  
и термическая обработка 
Учебное пособие 
Издание 2-е, переработанное и дополненное 
Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных  
заведений, обучающихся по направлению Металлургия 
Москва  2013 
№ 752 

УДК 669.017:621.78 
 
Н65 
Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. С.В. Добаткин 
Никулин, С.А. 
Н65  
Материаловедение и термическая обработка : учеб. пособие / 
С.А. Никулин, В.Ю. Турилина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2013. – 171 с. 
ISBN 978-5-87623-688-3 
Пособие содержит материал, необходимый для самостоятельной подготов-
ки студентов к лекциям и практическим занятиям по дисциплине «Материало-
ведение». Рассмотрены следующие разделы: деформация, разрушение и меха-
нические свойства; фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаж-
дении; основные виды термической обработки; основные углеродистые и ле-
гированные стали, применяемые в технике. Этот материал даст студентам це-
лостное представление о процессах, происходящих в сталях при термическом 
и деформационном воздействии, о взаимосвязи структуры и свойств, об ос-
новных принципах легирования сталей, о способах обеспечения требуемой 
структуры и комплекса свойств методами термической обработки сталей раз-
личного назначения. 
Пособие соответствует программам курсов «Материаловедение», «Мате-
риаловедение и термическая обработка металлов», «Специальные сплавы», 
«Специальные стали и сплавы» для направлений «Материаловедение и техно-
логии материалов», «Металлургия», «Физика». 
УДК 669.017:621.78 
ISBN 978-5-87623-688-3 
© Никулин С.А.,  
Турилина В.Ю., 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение......................................................................................................5 
1. Деформация, разрушение и механические свойства металлов ..........6 
1.1. Общие положения............................................................................6 
1.2. Упругая деформация .......................................................................7 
1.3. Пластическая деформация и деформационное упрочнение........9 
1.3.1. Пластическая деформация металлов скольжением...............9 
1.3.2. Пластическая деформация металлов двойникованием.......11 
1.3.3. Деформационное упрочнение................................................12 
1.4. Разрушение.....................................................................................15 
1.4.1. Виды разрушения металлов...................................................15 
1.4.2. Механизмы зарождения трещин ...........................................17 
1.4.3. Вязкое разрушение .................................................................19 
1.4.4. Хрупкое разрушение ..............................................................24 
1.5. Механические испытания .............................................................29 
1.5.1. Классификация механических испытаний...........................29 
1.5.2. Основные виды механических испытаний...........................31 
2. Изменение структуры и механических свойств металлов  
при деформации и последующем нагреве..............................................56 
3. Механизм и кинетика фазовых превращений в твердом  
состоянии...................................................................................................61 
3.1. Превращения в стали при нагреве................................................61 
3.2. Превращения в стали при охлаждении. Диаграмма  
изотермических превращений аустенита ...........................................67 
3.3. Термокинетические диаграммы превращений ...........................78 
4. Термическая обработка стали..............................................................81 
4.1. Классификация видов термической обработки. Общие  
положения и определения....................................................................81 
4.2. Отжиг I рода...................................................................................83 
4.2.1. Гомогенизационный (диффузионный) отжиг......................83 
4.2.2. Рекристаллизационный отжиг...............................................85 
4.2.3. Отжиг для снятия остаточных напряжений .........................86 
4.3. Отжиг II рода..................................................................................88 
4.3.1. Виды отжига II рода ...............................................................88 
4.3.2. Перегрев и пережог стали......................................................92 
4.4. Закалка стали..................................................................................95 
4.4.1. Закалка на мартенсит..............................................................95 

4.4.2. Основные закономерности мартенситного превращения...97 
4.4.3. Выбор режима закалки...........................................................98 
4.4.4. Закаливаемость и прокаливаемость стали..........................100 
4.4.5. Способы закалки стали ........................................................103 
4.5. Отпуск стали ................................................................................106 
4.5.1. Превращения в стали при отпуске. Выбор режимов  
отпуска.............................................................................................106 
4.5.2. Вторичное твердение стали.................................................109 
4.5.3. Отпускная хрупкость............................................................110 
4.6. Старение стали.............................................................................111 
4.7. Способы поверхностного упрочнения стальных изделий.......112 
4.7.1. Химико-термическая обработка. Общие  
закономерности...............................................................................112 
4.7.2. Поверхностная закалка стали..............................................119 
5. Углеродистые и легированные стали ...............................................126 
5.1. Металлургическое качество стали (неметаллические  
включения и примеси в стали) ..........................................................126 
5.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства  
стали.....................................................................................................130 
5.3. Классификация и маркировка сталей ........................................133 
5.4. Строительные стали ....................................................................136 
5.5. Машиностроительные стали.......................................................140 
5.5.1. Углеродистые качественные стали.....................................140 
5.5.2. Улучшаемые стали ...............................................................142 
5.5.3. Цементуемые и азотируемые стали....................................145 
5.5.4. Высокопрочные стали..........................................................148 
5.5.5. Мартенситно-стареющие стали...........................................150 
5.5.6. Подшипниковые стали.........................................................151 
5.5.7. Рессорно-пружинные стали.................................................152 
5.5.8. Криогенные стали.................................................................153 
5.5.9. Износостойкие стали............................................................154 
5.6. Коррозионно-стойкие стали .......................................................156 
5.7. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы ......................158 
5.8. Теплостойкие стали.....................................................................160 
5.9. Жаропрочные стали и сплавы ....................................................160 
5.10. Литейные стали..........................................................................162 
5.11. Инструментальные стали..........................................................164 
Библиографический список...................................................................170 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Термическая обработка является основным и самым распространенным 
способом создания заданной структуры для обеспечения механических 
и других свойств в сталях и сплавах различного назначения. 
На металлургических и машиностроительных предприятиях термическую 
обработку применяют как промежуточную операцию для 
улучшения комплекса технологических свойств и как окончательную 
технологическую операцию для придания изделиям необходимых 
свойств с целью обеспечения их эксплуатационных характеристик.  
Для правильного выбора стали под конкретное изделие, определения 
вида и режима ее термической обработки для обеспечения требуемых 
свойств необходимы знания о процессах, происходящих в сталях при 
термической обработке, о влиянии различных факторов на структуру и 
свойства сталей, о процессах их деформации и разрушения. 
Поэтому цель этого раздела курса «Материаловедение» – дать сту-
дентам основные представления о современной теории термической 
обработки и практике ее применения, научить применять полученные 
знания при анализе формирования структуры и фазового состава в 
сталях в процессе термической и деформационной обработки, выборе 
сталей для изготовления изделий с заданными свойствами и проведе-
нии их термообработки, при проведении и анализе результатов основ-
ных механических испытаний. 
В пособии кратко изложены основные темы этого раздела курса: 
деформация, разрушение и механические свойства; фазовые и струк-
турные превращения при нагреве и охлаждении; основные виды тер-
мической обработки; основные углеродистые и легированные стали, 
применяемые в технике. 
Приведенный материал даст студентам целостное представление 
о процессах, происходящих в сталях при термическом и деформаци-
онном воздействии, о взаимосвязи структуры и свойств, об основных 
принципах легирования сталей, о способах получения необходимой 
структуры и комплекса свойств методами термической обработки ста-
лей различного назначения. 

1. ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ 
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 
1.1. Общие положения 
Механические свойства – одни из основных характеристик метал-
лических материалов, применяемых в различных областях современ-
ной техники.  
Все механические свойства определяются процессами деформации 
и разрушения в различных условиях нагружения, как при выполнении 
технологических операций обработки при изготовлении изделий, так 
и во время эксплуатации деталей машин и конструкций. Многообра-
зие условий эксплуатации и обработки металлических материалов 
требует проведения большого числа разных механических испытаний 
для определения характеристик механических свойств. Прежде всего, 
механические испытания позволяют оценить механическую прочность 
материалов. Обычно под механической прочностью понимают спо-
собность материала сопротивляться деформации без разрушения. Ве-
личины, характеризующие сопротивление деформации или разруше-
нию, саму деформацию и вязкость (энергоемкость деформации и раз-
рушения) называют механическими свойствами. 
Под действием внешних напряжений происходит деформация, во 
время которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформация, 
исчезающая после разгрузки (снятия напряжения), называется упру-
гой, а сохраняющаяся после прекращения действия внешних напряже-
ний – остаточной. 
Под пластической деформацией понимают необратимые измене-
ния формы и размеров тела, остающиеся после снятия нагрузки. 
Фундаментальными характеристиками величины деформации, ко-
торые используются в теориях упругости и пластичности, являются 
относительные удлинения e и сдвиги g: 
 
(
)
0
ln
к
0
l
l
l
dl
e
k
l
l
=
= ∫
; 
 
g = tg α, 
где l0 и lк – начальная и конечная длина образца; 
α – угол сдвига, рад. 

Удлинение происходит под действием нормальных растягивающих 
напряжений S, а сдвиг – под действием касательных напряжений t. 
Напряжения являются удельной нагрузкой и в простейшем случае одноосного 
растяжения стержня определяются как отношение 
 
S = P / F, 
где S – растягивающее напряжение, МПа; 
Р – действующая нагрузка, Н; 
F – площадь сечения, перпендикулярного продольной оси стержня, 
вдоль которого действует нагрузка, мм2. 
Нормальным растягивающим напряжениям приписывается знак 
«+». Нормальным может быть также сжимающее напряжение, которое 
тоже обозначается S, но со знаком «–». 
Вектор касательных напряжений, в отличие от нормальных, не направлен 
перпендикулярно сечению, в котором они рассчитываются, а лежит в 
плоскости этого сечения. Именно под действием касательных напряжений 
происходит скольжение дислокаций, т.е. идет пластическая деформация. 
1.2. Упругая деформация 
Поведение металлов при упругой деформации описывается законом 
Гука, который определяет прямую пропорциональность между 
напряжением и упругой деформацией. На рис. 1.1 показаны упругие 
участки кривых напряжение – деформация при одноосном растяжении 
и кручении (сдвиге). 
 
Рис. 1.1. Участки упругой деформации на кривых 
«напряжение – деформация» при одноосном растяжении (а) 
и кручении (б) 

Наклон каждой из этих кривых, т.е. коэффициент пропорциональности, 
связывающий напряжение и деформацию, характеризует модули 
упругости: 
 
E = S / e; 
 
 
G = t / g. 
 
Модуль E, определяемый при растяжении, называется модулем 
Юнга (модуль нормальной упругости), модуль G – модулем сдвига 
(касательной упругости). Модули упругости определяют жесткость 
материала, т.е. интенсивность увеличения напряжения при упругой 
деформации. 
Механизм упругой деформации металлов заключается в обратимых 
относительно малых смещениях атомов из положения равновесия в 
кристаллической решетке. Чем больше величина смещения каждого 
атома, тем больше упругая макродеформация всего образца. Величина 
упругой деформации в металлах не может быть большой (относительное 
удлинение в упругой области обычно меньше 0,1 %), так как атомы 
в кристаллической решетке способны упруго смещаться лишь на 
небольшую долю межатомного расстояния. Физический смысл моду-
лей упругости состоит в том, что они характеризуют сопротивляе-
мость металлов упругой деформации, т.е. смещению атомов из поло-
жений равновесия в решетке. 
Модули упругости являются константами для каждого материала и 
относительно мало изменяются под влиянием внешних факторов. С по-
вышением температуры от 0 К до температуры плавления модули упру-
гости чистых металлов и большинства сплавов снижаются в 2–2,5 раза. 
Зависимость эта не линейна – темп снижения модулей по мере при-
ближения к солидусу увеличивается. 
Модули упругости металлов – структурно малочувствительные 
свойства. Например, размер зерна в поликристалле на них почти не 
влияет, а сильная холодная деформация лишь немного (на ~1 %) сни-
жает модули, что связано с влиянием остаточных микронапряжений, 
возникающих при наклепе. При формировании текстуры модули уп-
ругости могут существенно меняться из-за увеличивающейся анизо-
тропности деформированного металла. 
При легировании металлов элементами, образующими твердые 
растворы, модули упругости изменяются по закону, близкому к ли-
нейному, причем могут и увеличиваться, и уменьшаться. 

1.3. Пластическая деформация 
и деформационное упрочнение 
Пластическая деформация является результатом необратимого 
смещения атомов. В кристаллах эти смещения атомов в большинстве 
случаев происходят путем движения дислокаций, что является основ-
ным атомным механизмом пластической деформации. Движение дис-
локаций может вызывать макропластическую деформацию образца 
путем скольжения либо двойникования. В результате такого движения 
дислокаций происходит сдвиг одних отдельных частей кристалла от-
носительно других (скольжение), или сдвиг и поворот атомных рядов 
в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению 
сдвига (двойникование). 
Эти два способа формоизменения можно рассматривать как меха-
низмы пластической деформации.  
Микро- и макрокартины пластической деформации скольжением и 
двойникованием существенно различаются и их анализируют отдельно. 
В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем 
скольжения. Двойникование обычно наблюдается в металлах и спла-
вах с ОЦК- и ГП-решетками. 
1.3.1. Пластическая деформация 
металлов скольжением 
Классическая схема деформации скольжением при растяжении и 
системы скольжения в металлах и сплавах с разными кристалличе-
скими решетками показаны на рис. 1.2. 
В элементарном виде механизм сдвига одной части кристалла от-
носительно другой можно представить как результат пробега через 
него дислокации, например краевой, с длиной, равной ширине кри-
сталла. Чем больше количество движущихся дислокаций и длиннее 
суммарный путь их перемещений, тем больше величина макропласти-
ческой деформации: 
 
g = ρbl, 
где g – относительный сдвиг, характеризующий величину пластиче-
ской деформации; 
ρ – плотность дислокаций; 
b – усредненный вектор Бюргерса двигающихся дислокаций; 
l – средняя длина их перемещения. 

Рис. 1.2. Деформация скольжением: а – схема деформации при 
растяжении; б – полосы скольжения в деформированном Al; 
в – плоскости и направления скольжения: вверху – решетка 
ГЦК (γ-Fe, Cu, Al, Ni); плоскости скольжения – {111}; направления 
скольжения – <110>; внизу – решетка ОЦК (α-Fe, Cr, W); плоскости 
скольжения – {110}, {112}, {123}; направления скольжения – <111> 
В реальных металлах и сплавах еще до начала деформации имеется 
много дислокаций разных типов. Плотность дислокаций в отожжен-
ных металлах и сплавах ρ = 106…108 см–2.Под действием приложен-
ных напряжений начинают работать различные их источники, порож-
дающие новые дислокации. Движущиеся дислокации могут выходить 
на поверхность образца и могут взаимодействовать внутри него друг 
с другом: вступают в реакции, тормозятся, аннигилируют, образуют 
сплетения и т.д. Реальная картина пластической деформации металли-
ческих материалов определяется структурой, составом материала и ус-
ловиями его деформации. 
Линии скольжения (см. рис. 1.2) – это ступеньки, образующиеся на 
поверхности в результате выхода дислокаций. Анализируя располо-
жение линий скольжения, расстояние между ними, их высоту, можно 
составить не только качественное, но и количественное представление 
а 
в 
б 

о картине и величине пластической деформации. По направлению ли-
ний скольжения можно определить плоскости и направления сколь-
жения, зная кристаллографическую ориентировку анализируемой по-
верхности образца. 
Скольжение и сдвиги в кристаллах при низкотемпературной де-
формации идут вдоль определенных для каждого типа решетки кри-
сталлографических плоскостей и направлений. Направление скольже-
ния всегда лежит в своей плоскости скольжения. Совокупность на-
правления и плоскости скольжения называется системой скольжения. 
В металлах может действовать одна или одновременно несколько сис-
тем скольжения. 
Направления и плоскости преимущественного скольжения являют-
ся наиболее плотноупакованными в каждой решетке. 
1.3.2. Пластическая деформация 
металлов двойникованием 
Деформация двойникованием идет в тех случаях, когда скольжение 
по тем или иным причинам затруднено. Наиболее часто двойникова-
ние наблюдается при низких температурах и высоких скоростях де-
формации, особенно в металлах с ГП- и ОЦК-решетками. В чистых 
ГЦК-металлах деформация двойникованием имеет место только при 
отрицательных температурах и высоких скоростях деформации. 
При двойниковании происходит сдвиг одной части кристалла отно-
сительно другой вдоль определенной плоскости и направления двой-
никования (рис. 1.3). 
Двойник 
Плоскость 
двойникования 
 
 
Рис. 1.3. Деформация двойникованием: а – схема деформации; 
б – двойники деформации в кристалле цинка 
б 
а 

Плоскость двойникования – обычно кристаллографическая плоскость 
с малыми индексами, которая является плоскостью симметрии 
двойникового образования относительно исходного кристалла. 
Наиболее часто двойникование происходит в ГП-металлах, где число 
систем скольжения минимально, особенно при отношении c/a ≥ 1,633. 
В неблагоприятно ориентированных для базисного скольжения монокристаллах 
и многих зернах поликристаллов приведенные напряжения 
сдвига, достаточные для двойникования, оказываются ниже тех напряжений, 
которые необходимы для небазисного скольжения. 
Часто началу двойникования в ГП-металлах предшествует скольжение. 
Результирующее повышение плотности дислокаций создает 
концентрацию напряжений в микрообъемах, достаточную для зарождения 
двойников. Иногда, наоборот, при неблагоприятной ориентировке 
ГП-кристалла для базисного скольжения его деформация начинается 
с двойникования. При этом ориентировка базисных плоскостей 
может измениться таким образом, что в дальнейшем будет идти деформация 
скольжением. 
Двойникование по одной плоскости не может обеспечить значи-
тельной пластической деформации металла. В результате ГП-металлы 
с отношением c/a ≥ 1,633 (Cd, Zn, Mg), где действует в основном один 
тип плоскостей двойникования {1012}, не могут сильно деформиро-
ваться только за счет двойникования. С увеличением числа дейст-
вующих плоскостей и направлений двойникования при переходе к 
ГП-металлам с низким отношением c/a (Ti, Zr) величина пластической 
деформации двойникованием возрастает. 
При металлографическом исследовании в световом и электронном 
микроскопах каждый двойник деформации выявляется в виде двух 
параллельных полос (следов его пересечения с поверхностью излома, 
шлифа или фольги) (см. рис. 1.3, б). 
В поликристалле двойники никогда не переходят из одного зерна в 
другое. Обычно они заканчиваются внутри зерна, а если доходят до 
границы, то возникающие в месте этого стыка напряжения могут спо-
собствовать появлению двойника в соседнем зерне, где он будет иметь 
иную ориентировку. 
1.3.3. Деформационное упрочнение 
Низкотемпературная пластическая деформация (при температурах 
Тд < 0,2…0,3 Тпл) сопровождается повышением сопротивления мате-
риала образца деформации по мере увеличения степени деформации.