Материаловедение и термическая обработка металлов металлов : специальные стали

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 875 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра металловедения и физики прочности 

С.А. Никулин 
В.Ю. Турилина 

Материаловедение 
и термическая обработка 
металлов 

Специальные стали 

Учебно-методическое пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом института 

Москва Издательство ´УЧЕБАª 2006 

УДК 669.017 + 621.78 
Н62 

Р е ц е н з е н т 
профессор, доктор физико-математических наук С.Д. Прокошкин 

Никулин С.А., Турилина В.Ю. 
Н62 
Материаловедение и термическая обработка металлов: Специальные стали: Учеб.-метод. пособие. – М.: МИСиС, 2006. – 57 с. 

Пособие содержит материал, необходимый для самостоятельной подготовки студентов к выполнению домашних заданий по курсам «Материаловедение и термическая обработка металлов», «Специальные сплавы», «Специальные стали и сплавы». 

Приведены методики подхода к выбору марки стали и необходимого режима 
термической обработки для получения заданных свойств. Дается краткое теоретическое введение, в котором рассматриваются механические свойства металлов, 
термическая обработка сталей, структурные и фазовые превращения в сталях, классификация и маркировка сталей, принципы легирования и влияние легирующих 
элементов на структуру и свойства сталей, основные группы промышленных сталей, экономическое обоснование выбора легированной стали. Даны варианты домашних заданий по каждому разделу курсов. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям 
150702 «Физика металлов», 150104 «Литейное производство черных и цветных металлов», 150105 «Металловедение и термическая обработка металлов». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
4 

1. Механические испытания и свойства металлов 
6 

2. Основы термической обработки 
9 

3. Промышленные стали 
22 

3.1. Классификация и маркировка сталей 
22 

3.2. Влияние легирующих элементов на структуру 
и свойства стали 
24 

3.3. Металлургическое качество стали (неметаллические 
включения и примеси в стали) 
26 

3.4. Экономическое обоснование применения 
легированных сталей 
29 

4. Методические указания к выполнению домашних заданий 
31 

4.1. Домашнее задание №1 
31 

4.2. Домашнее задание №2 
35 

4.3. Домашнее задание №3 
39 

4.4. Домашнее задание №4 
44 

4.5. Домашнее задание №5 
51 

5. Требования к отчету 
55 

Библиографический список 
56 

3 

ВВЕДЕНИЕ 

Сегодня стали и сплавы остаются основными материалами во всех 
областях современной техники. Поэтому перед каждым специалистом, работа которого связана с использованием металлических материалов, так или иначе встает проблема выбора оптимального материала и технологии его обработки для конкретных изделий. 

Такой выбор невозможен без знаний взаимосвязей химического 
состава, структуры и свойств материалов, а также основных способов термической обработки, позволяющей обеспечить требуемые 
структуру и свойства материала в изделии. Необходимо также представлять, как и в каких условиях работают те или иные детали машин 
и конструкций, какие требования по механическим и другим свойствам, а также по надежности и безопасности при эксплуатации к ним 
предъявляются. 

Основная задача настоящего пособия – дать студентам первичную 
информацию, необходимую для подготовки к практическим занятиям и 
выполнения индивидуальных заданий по курсам «Специальные стали и 
сплавы», «Металловедение и термическая обработка металлов» с целью 
научить применять знания в области металловедения и термической 
обработки сталей и сплавов, а также для правильного выбора материала 
для различных деталей машин, конструкций и инструмента. 

В течение семестра студенты выполняют следующие домашние 
задания: 

• ДЗ-1. Выбрать сталь и режим термической обработки детали 
двигателя (механизма, конструкции) для работы в условиях контактных нагрузок и трения; 

• ДЗ-2. Выбрать сталь и режим термической обработки детали 
двигателя (механизма, конструкции) на заданную прочность при заданных условиях эксплуатации; 

• ДЗ-3. Выбрать сталь и режим термической обработки режущего (штампового, мерительного) инструмента для определенных условий эксплуатации; 

• ДЗ-4. Выбрать сталь или сплав и режим термической обработки детали двигателя (механизма, конструкции) для работы в сложных условиях (агрессивная среда, высокая температура); 

• ДЗ-5. Выбрать сталь и режим термической обработки детали 
механизма (конструкции) для работы в предложенных условиях эксплуатации. 

4 

Вводная теоретическая часть пособия никак не может заменить 
учебники или материал лекционного курса, но является хорошим 
дополнением к ним. 

Для выполнения домашних заданий студентам необходимо изучить соответствующие разделы курса, изложенные на лекциях и в 
рекомендованных учебниках, в том числе: основные виды механических испытаний и механических свойств; виды термической обработки, структурные и фазовые превращения в сталях; принципы легирования и влияние легирующих элементов на структуру и свойства 
сталей; основные группы промышленных сталей. Необходимо также 
освоить методики выбора материала и режимов термической обработки для деталей определенного назначения, которые включают 
анализ условий работы изделия, определение характера нагрузок и 
уровня свойств, которыми должен обладать материал изделия; выбор 
материала и способа термической обработки для получения требуемых свойств. 

Вся необходимая для такого выбора информация содержится в 
рекомендованной литературе. 

5 

1. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ 
И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 

Существует несколько видов стандартных механических испытаний, по результатам которых можно определить характеристики 
прочности, пластичности и вязкости. 

При испытаниях на одноосное растяжение определяют: 
а) прочностные свойства, характеризующие сопротивление материала образца деформации и разрушению: 

- условный предел упругости ау - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной небольшой величины (обычно 
0,005...0,05 %), указываемое в обозначении условного предела упругости: О0 05, О001 и т.д.; 

- условный предел текучести О0,2 - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает величины 0,2 % от начальной расчетной длины образца/0; 

- физический предел текучести ат - напряжение, при котором образец деформируется под действием практически неизменной растягивающей нагрузки, соответствующей площадке текучести на диаграмме деформации; 

- условный предел прочности (временное сопротивление) ОВ - напряжение, характеризующее сопротивление максимальной равномерной деформации; 

б) пластические свойства, характеризующие способность материала пластически деформироваться при нагружении до разрушения. 

Такие деформации обычно характеризуются относительным удлинением 6 = (4к –/0) / /0 • 100 %, где /0 и 4 - начальная и конечная длина образца соответственно, и относительным сужением \|/ = (F0–Fк) / 
F0 • 100 %, где F0 и Fк - начальная и конечная площади поперечного 
сечения образца. 

Твердость - свойство поверхностного слоя материала сопротивляться упругой и пластической деформации или разрушению при 
местных контактных воздействиях со стороны другого, более твердого тела (индентора) определенной формы и размера. 

Твердость определяют различными методами. Числа твердости по 
Бринеллю (НВ) и Виккерсу (HV) характеризуют сопротивление материала значительной пластической деформации и являются усредненными условными напряжением в зоне контакта индентор-образец. Числа твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, 

6 

пропорциональных глубине вдавливания индентора под определенной нагрузкой, и обозначают HRA, HRB, HRC при использовании в 
качестве индентора алмазного конуса и стального шарика. Существуют таблицы соотношения чисел твердости, полученных разными 
методами. 

В процессе испытания на усталость под действием циклических нагрузок происходит постепенное накопление повреждений в 
материале, что приводит к изменению его свойств, образованию 
трещин и разрушению. Свойство противостоять усталости называется сопротивлением усталости, или выносливостью. При испытании 
на усталость одного образца определяется число циклов до разрушения N (циклическая долговечность) при заданном напряжении а. По 
результатам испытаний серии образцов определяются различные характеристики выносливости. Главной из них является предел выносливости OR - наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения 
образца после произвольного большого или заданного числа циклов 
нагружения, где R - коэффициент асимметрии цикла (например, 
R = - 1 , O–1). 

Испытания на ударную вязкость проводят для оценки энергоемкости разрушения материалов при ударных нагрузках и для определения склонности металлов к хрупкому разрушению. Наиболее 
часто используют ударные испытания на изгиб образцов с надрезом. 

По результатам испытаний определяют ударную вязкость: KC = А / F, 
где А - работа, затраченная на процесс деформации и разрушения; F площадь поперечного сечения образца в месте надреза до испытания. 
Основным образцом служит стержень с квадратным сечением и надрезом одного из трех видов: U-образный, V-образный и T-образный 
концентратор (надрез с усталостной трещиной). В зависимости от 
вида концентратора в образце в обозначение ударной вязкости вводится третий индекс (U, V, T ^ KCU, KCV, KCT). 

Склонность стали к хрупкому разрушению оценивается по сериальным испытаниям нескольких одинаковых образцов при различных температурах. По кривым температурной зависимости ударной 
вязкости определяется температура хрупко-вязкого перехода Тхр, характеризующая хладноломкость. 

Тхр также можно определить по структуре излома (по доли хрупкой составляющей в изломе). Когда в изломе наблюдаются равные 
доли хрупких и вязких участков разрушения (50 : 50), определяют 
температуру Т 50. 

7 

По результатам испытаний на статическую трещиностойкость образцов с надрезом и трещиной определяют вязкость разрушения, характеризуемую коэффициентом интенсивности напряжений при плоской деформации К1с (константа материала). Для характеристики вязкости разрушения материала в тонких сечениях (например, листов, труб и др.), когда трудно или невозможно создать 
условия для плоской деформации, используют коэффициент Кс. Значение Кс зависит от размеров образцов и не является константой материала. 

Для оценки теплостойкости и жаропрочности используют испытания на растяжение при повышенных температурах, на ползучесть и длительную прочность, проводимые по схеме одноосного 
растяжения. 

Ползучестью называется непрерывная деформация металла под 
действием постоянно приложенных напряжений. При экспериментальном изучении ползучести определяют зависимость деформации 
(чаще удлинения) от времени при заданных напряжениях и температурах, получая первичные кривые ползучести. Сопротивление 
ползучести характеризуется пределом ползучести – напряжением, 
которое вызывает заданную скорость ползучести или заданную суммарную деформацию ползучести за определенное время (например, 

= 150 МПа – это напряжение, вызывающее в металле скорость 
а 

700 

ползучести 1 • 10–3 %/ч при 700 °С). Предел ползучести характеризует напряжение, под действием которого материал может длительное 
время работать, не подвергаясь значительной деформации. 

Для оценки сопротивления материала разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения определяют предел 
длительной прочности - условное напряжение, под действием которого материал при данной температуре разрушится через заданный 
промежуток времени (a9
0
0
0
0
0 - предел 1000-ч прочности при 900 °С). 

Оценка жаростойкости (способности сопротивляться газовой 
коррозии) производится по изменению массы стандартных образцов, 
механических или физических свойств сплавов. 

8 

2. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 

Термическая обработка и поверхностное упрочнение являются 
важнейшими способами обработки стали для придания ей необходимого структурно-фазового состава и комплекса требуемых свойств. 

Термическая обработка проводится по определенному режиму, 
регламентирующему температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Режим термообработки выбирается исходя из химического состава стали, размера детали и назначения данной термообработки. 

Основные виды термической обработки представлены на рис. 2.1. 
Отжиг первого рода включает процессы гомогенизации, рекристаллизации и снятия остаточных напряжений, в ходе которых 
уменьшается неоднородность химического состава и свойств, появившаяся в результате предшествующих обработок. Перечисленные 
процессы не зависят от того, протекают в сплавах при этой обработке фазовые превращения или нет, поэтому отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. 

Отжиг II рода основан на процессах фазовых превращений при 
нагреве и охлаждении. 

При отжиге II рода сталь нагревается до температур Ас1 или Ас3 
(рис. 2.2), выдерживается при этой температуре до полного завершения всех превращений и охлаждается со скоростью менее 100 °С в 
час в камере выключенной печи. 

Т, °С 

Fe 0,025 
0,8 
2,14 % С 

Рисунок 2.2 Температура нагрева доэвтектоидных и заэвтектоидных 
сталей при основных видах термической обработки 

9 

\ 

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 
30…50 °С выше температуры Ас3, выдержке и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная перекристаллизация (исправление зеренной структуры). 

Полному отжигу подвергают только доэвтектоидные стали. В заэвтектоидных сталях при таком медленном охлаждении по границам 
зерен выделяется вторичный цементит в виде сетки, приводящий к 
охрупчиванию стали. 

Полный отжиг применяется, как правило, как промежуточная 
термическая обработка для получения по всему объему изделия однородной мелкозернистой структуры, обеспечивающей высокую 
вязкость и пластичность, пониженную прочность и твердость, а также для устранения крупнозернистой структуры после литья и горячей обработки давлением. 

При изотермическом отжиге сталь нагревают до температур 
Ас3 + 50…70 °С, сравнительно быстро охлаждают до температуры 
изотермической выдержки (обычно на 100…150 °С ниже Ас1), выдерживают до полного распада аустенита и охлаждают на воздухе. 

Изотермическая выдержка обеспечивает выравнивание температуры по всему сечению изделия, и превращение происходит при 
одинаковой степени переохлаждения. Это снижает длительность 
процесса и обеспечивает получение более однородной структуры. 

Изотермический отжиг применяется для штамповок, заготовок 
инструмента и других изделий небольшого размера из легированной 
стали. Для больших садок обычно не применяется. 

Одной из разновидностей изотермического отжига является патентирование. 

Патентирование применяют для получения высокопрочной канатной, пружинной и рояльной проволоки. 

Проволоку из углеродистых сталей с 0,45…0,85 % С нагревают в 
проходной печи до температур Ас3 + 150…200 °С, пропускают через 
свинцовую или соляную ванну (450…550 °С) и наматывают на приводной барабан. После патентирования проволоку подвергают многократному холодному волочению с большим суммарным обжатием, 
что обеспечивает ее высокую прочность (σВ = 1500…2000 МПа). 

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей проводят при температурах Ас1 + 10…30 °С. При этих температурах избыточный феррит 
превращается в аустенит частично, значительная его часть не подвергается перекристаллизации, поэтому для доэвтектоидных сталей 

11