Теория термической обработки металлов и сплавов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

 

 
 
 

 

 

 

 

 

№ 2404 

Кафедра металловедения цветных металлов

А.В. Поздняков 
М.Г. Хомутов 
А.Н. Солонин 
 
 

Теория термической обработки 
металлов и сплавов 

Лабораторный практикум 

Допущено учебно-методическим объединением по образованию 
в области металлургии в качестве учебного пособия  
для студентов высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 150400 – Металлургия 

Москва  2014 

УДК 621.78 
         П47 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. С.Д. Прокошкин 

Поздняков, А.В. 
П47  
Теория термической обработки металлов и сплавов : лаб. 
пракытикум / А.В. Поздняков, М.Г. Хомутов, А.Н. Солонин. – 
М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. – 76 с. 
ISBN 978-5-87623-774-3 

В практикуме представлены лабораторные работы, которые прививают 
студентам навыки проведения термической обработки и анализа ее связи 
со структурой и свойствами металлов и сплавов. Рассмотрены основные виды термической и термомеханической обработки металлов и сплавов, такие 
как гомогенизационный, дорекристаллизационный и рекристаллизационный 
отжиг; отжиг, нормализация, закалка и отпуск сталей; закалка и старение 
цветных металлов; низкотемпературная, высокотемпературная и предварительная термомеханическая обработка стареющих сплавов. 
Содержание практикума соответствует программе дисциплины «Термическая обработка металлов и сплавов». 
Для студентов, обучающихся по направлению 150400 «Металлургия», 
профиль «Металловедение цветных и драгоценных металлов». 

УДК 621.78 

ISBN 978-5-87623-774-3 
© А.В. Поздняков, 
М.Г. Хомутов,  
А.Н. Солонин,  2014 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение...................................................................................................4 
Лабораторная работа 1. Гомогенизационный отжиг............................6 
Лабораторная работа 2. Дорекристаллизационный   
и рекристаллизационный отжиг...........................................................15 
Лабораторная работа 3. Отжиг и нормализация сталей.....................32 
Лабораторная работа 4. Закалка и отпуск сталей...............................44 
Лабораторная работа 5. Закалка и старение цветных сплавов..........56 
Лабораторная работа 6. Термомеханическая  обработка  
стареющих сплавов ...............................................................................68 
Литература ..............................................................................................75 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Термическая обработка – это обработка заготовок и изделий из металлических материалов путем теплового воздействия для получения 
заданных структуры и свойств. Тепловое воздействие может сочетаться 
с другими – деформационным, химическим, магнитным и др. 
Теория термической обработки анализирует изменения структуры 
и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, не исчезающие после его прекращения.  
Развитие теории термообработки идет по пути детального аналитического и экспериментального изучения механизмов и кинетики 
фазовых и структурных превращений при термообработке на атомном уровне. В экспериментах используются все более совершенные 
методы рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии 
и др. В рамках данного лабораторного практикума экспериментально 
изучается изменение микроструктуры и механических свойств на 
уровне световой микроскопии, измерения твердости стандартными 
методами и определения пластичности при испытании на изгиб, которые в достаточной степени позволяют проследить эволюцию 
структуры и связанные с ней изменения свойств. В практикуме также 
представлена работа по термомеханической обработке на современном комплексе моделирования термомеханических процессов. 
Любой процесс термической обработки можно описать зависимостью изменения температуры во времени, по которой можно определить температуру нагрева, время нагрева и охлаждения, средние 
и истинные скорости нагрева и охлаждения, время выдержки при температуре нагрева и общую продолжительность производственного цикла. Но по форме этого графика ничего нельзя сказать о виде термообработки. Вид термообработки определяется не характером изменения 
температуры во времени, а типом фазовых и структурных изменений 
в металле. Основываясь на последнем признаке, А.А. Бочвар разработал 
классификацию, охватывающую многочисленные разновидности термообработки черных и цветных металлов и сплавов. 
Термическая обработка подразделяется на собственно термическую, термомеханическую и химико-термическую. Собственно термическая обработка заключается только в термическом воздействии 
на металл или сплав, термомеханическая – в сочетании термического 
воздействия и пластической деформации, химико-термическая – 
в сочетании термического и химического воздействия. 

Собственно термическая обработка включает следующие основные виды: отжиг 1-го рода, отжиг 2-го рода, закалку с полиморфным 
превращением, закалку без полиморфного превращения, закалку 
с плавлением поверхности, отпуск и старение. Эти виды термической 
обработки относятся и к сталям, и к цветным металлам и сплавам. 
Каждый из видов термообработки подразделяется на разновидности, 
специфические для сплавов на разных основах. 

Лабораторная работа 1 

ГОМОГЕНИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ 

(4 часа) 

1.1. Цель работы 

Целью работы является получение навыков проведения гомогенизационного отжига и анализа изменения микроструктуры и механических свойств при гомогенизации литых сплавов. 

1.2. Теоретическое введение 

Гомогенизационный отжиг – это термическая обработка, при которой главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации. 
В условиях неравновесной кристаллизации в результате дендритной ликвации возникает химическая микронеоднородность внутри 
кристаллов твердого раствора – основы сплава, и могут появиться 
неравновесные избыточные фазы. 
В результате отклонения от равновесия в процессе кристаллизации литой сплав имеет перечисленные ниже основные недостатки. 
1. Пластичность сплава обычно снижается, если в результате дендритной ликвации появляется избыточная хрупкая фаза. Особенно 
сильно снижается пластичность при образовании по границам дендритных ячеек сплошных прослоек из грубых частиц хрупких соединений (интерметаллидов, карбидов и др.).  
2. Центральные участки дендритных ячеек и их границы, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары. Поэтому внутрикристаллитная ликвация твердого раствора снижает стойкость против электрохимической коррозии. Появление неравновесной избыточной фазы в твердом растворе обычно также 
снижает стойкость против коррозии. 
3. При обработке давлением, например, прокатке и прессовании, 
микроучастки, имеющие разный химический состав, вытягиваются, 
и может возникнуть строчечная структура. Такая структура обуславливает анизотропию свойств в изделии и повышенную склонность 
к межкристаллитному разрушению. 

4. Дендритная ликвация понижает температуру солидуса сплава, 
что, как правило, нежелательно. Например, при быстром нагреве под 
закалку или обработку давлением изделие может частично оплавиться. Оплавляются, например, участки, в которых находится неравновесная эвтектика. 
5. Структура и свойства литого сплава нестабильны во времени. 
В изделии, работающем при повышенных температурах, могут самопроизвольно постепенно выравниваться состав твердого раствора и растворяться избыточные фазы. Эти процессы вызывают постепенное изменение свойств, которое может выйти за допустимые пределы. 
Для устранения недостатков литой структуры слитков и фасонных 
отливок проводят отжиг – гомогенизацию. 
В однофазных сплавах, например, в α-латуни Л80 (Cu – 20% Zn) 
главный процесс при гомогенизационном отжиге – выравнивание состава зерен твердого раствора, т.е. устранение внутрикристаллитной 
ликвации (рис. 1.1). В сплавах, содержащих неравновесную избыточную фазу, например, в сплаве X1 (рис. 1.2) при гомогенизационном отжиге протекают два основных процесса: выравнивание концентрации 
внутри зерен твердого раствора и растворение неравновесных избыточных фаз. В основе этих процессов лежит диффузия, и поэтому гомогенизационный отжиг называют также диффузионным. 

 
                     а                                                   б 

Рис. 1.1. Микроструктура α-латуни Л80. ×100:  
а – после литья; б – после гомогенизации 

Распределение легирующего элемента по сечению дендритной 
ячейки схематично показано на рис. 1.3 (кривая 1). Отрезок pq соответствует сечению дендритной ячейки первичной α-фазы, а hp – сечению включения второй фазы (β) на границе дендритной ячейки. 
Вертикальный скачок концентрации у границы дендритной ячейки 
соответствует расположению здесь включения второй фазы. 

Рис. 1.2. Неравновесный солидус А′ka в системе эвтектического  
ssтипа и кривая изменения среднего состава твердого раствора bc 
 при дендритной ликвации в сплаве Х1 (схема) 

s 

Рис. 1.3. Схема распределения легирующего элемента по сечению 
дендритной ячейки α-раствора с β-фазой на ее границах в начальный 
(1), промежуточный (2) и конечный (3) моменты гомогенизации 

В самом начале выдержки при гомогенизационном отжиге на границе дендритной ячейки с избыточной β-фазой устанавливается равновесная концентрация α-раствора, соответствующая точке предельной растворимости при температуре гомогенизации (например, точке 
r при температуре tr на рис. 1.2). Эта концентрация периферийного 
слоя α-раствора поддерживается постоянной до тех пор, пока существует избыточная β-фаза (см. рис. 1.3). 
Выравнивание состава внутри дендритных ячеек является контролирующим звеном гомогенизации, определяющим скорость и время 
полного растворения избыточной фазы. Если условно отделить один 
от другого процессы выравнивания состава внутри α-фазы и растворения в ней избыточной β-фазы, то можно схематично нарисовать 
такую картину. Выравнивание состава внутри α-раствора приводит 
к уменьшению его концентрации на границе с β-фазой до значений 
ниже точки r на рис. 1.2 и 1.3, и периферийный слой дендритной 
ячейки становится ненасыщенным по отношению к β-фазе. Поэтому 
β-фаза растворяется, поднимая концентрацию в периферийном слое 
α-раствора до равновесной и т.д. Постепенно граница α/β перемещается в сторону растворяющейся β-фазы, а состав α-фазы по сечению 
дендритной ячейки выравнивается (пунктирные линии 2 и 3 
на рис. 1.3, соответствующие разным моментам гомогенизации). 
Если избыточная β-фаза должна полностью раствориться (в соответствии с диаграммой состояния), то после ее исчезновения через 
некоторое время завершается и выравнивание концентрации внутри 
α-раствора. Если же состав сплава таков, что он и в равновесных условиях не должен быть однофазным, то при гомогенизации растворяется только неравновесный избыток второй фазы (или нескольких 
фаз), и после отжига остается некоторое равновесное их количество. 
Опыты с алюминиевыми сплавами показали, что время полного устранения внутрикристаллитной ликвации ненамного превышает время 
полного растворения (τр) неравновесного избытка фаз. Учитывая, что 
время τр определить гораздо легче, вполне допустимо в большинстве 
задач время окончания гомогенизации оценивать по времени окончания растворения неравновесного избытка фаз. 
По первому закону Фика поток диффундирующего вещества I, т.е. 
количество вещества, проходящего в единицу времени через единицу 
площади сечения, пропорционален градиенту концентрации dc/dx 
вдоль направления x, перпендикулярного этому сечению: 

 
I = – Ddc/dx. 
(1.1) 

Коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, размера зерна и особенно резко от температуры: 

 
D = Ae–QRT, 
(1.2) 

где R – газовая постоянная; 
 T – температура;  
Q – энергия активации диффузии;  
A – константа, практически не зависящая от температуры.  

Температура входит в показатель степени выражения для коэффициента диффузии, и, следовательно, сравнительно небольшое повышение 
температуры должно значительно ускорить диффузию. Обычно гомогенизационный отжиг проводят при температурах выше 0,90...0,95 
от температуры плавления Tпл (по абсолютной шкале), но ниже точки 
солидуса сплава. Иногда температура гомогенизации находится в интервале (0,8...0,9) Tпл. Энергия активации диффузии Q обеспечивает переход атомов из одного положения в решетке в другое. Так как величина энергии активации входит в показатель степени, то она очень сильно 
влияет на величину коэффициента диффузии. Энергия активации диффузии элементов, растворенных по способу внедрения, меньше, чем у 
элементов растворенных по способу замещения. Поэтому последние 
диффундируют медленнее. Например, легирующие элементы, растворенные в аустените по способу замещения, обладают значительно 
меньшей диффузионной подвижностью, чем углерод, растворенный 
в феррите по способу внедрения. 
Время выдержки при гомогенизационном отжиге обычно колеблется 
в пределах от нескольких до десятков часов (не считая времени нагрева). Повышая температуру, можно сократить время выдержки при отжиге. Время полной гомогенизации зависит не только от температуры 
отжига и природы сплава, определяющих диффузионную подвижность 
компонентов в твердом растворе. На время гомогенизации сильно влияет исходная микроструктура литого сплава. Скорость гомогенизации 
зависит от толщины частиц растворяющейся избыточной фазы и размера дендритной ячейки основной фазы. Зависимость времени окончания 
растворения избыточной фазы τр от средней толщины частиц раство-
ряющейся фазы m подчиняется уравнению 

 
τр = amb , 
(1.3) 

где a и b – константы для данного сплава и данной температуры гомогенизационного отжига. 

Для ускорения гомогенизации следует увеличивать скорость кристаллизации сплава. Чем выше эта скорость, тем меньше размер дендритных ячеек и тоньше частицы избыточных фаз, кристаллизующихся по их границам. Поэтому слитки и фасонные отливки, затвердевавшие при большой скорости охлаждения, быстрее и полнее гомогенизируются. Например, слитки непрерывного литья малого сечения гомогенизируются быстрее, чем слитки большого сечения, кокильные отливки быстрее гомогенизируются, чем детали, отлитые 
в земляные формы. Другой путь ускорения гомогенизации – измельчение структуры негомогенизированного слитка горячей обработкой 
давлением с последующим кратковременным отжигом. Одновременно с основными структурными изменениями, рассмотренными выше 
и составляющими сущность гомогенизации, могут протекать побочные изменения структуры, которые необходимо учитывать при выборе режима термической обработки. В сплаве, испытывающем полиморфное превращение, при гомогенизации в области высокотемпературной фазы может вырасти крупное зерно. В малолегированных 
сплавах, если границы зерен свободны от выделений избыточных 
фаз, и могут легко мигрировать, зерно может вырасти за счет собирательной рекристаллизации. Если сплав в равновесном состоянии не 
должен быть однофазным, избыточные фазы, которые не способны 
полностью раствориться при температуре гомогенизации, могут 
фрагментироваться, коагулировать и округляться с увеличение 
длительности отжига. Для перевода неравновесного избытка фаз 
в твердый раствор выбирают такую температуру гомогенизационного отжига, чтобы в металле-основе растворимость компонентов, входящих в избыточные фазы, была высокой. В многокомпонентном 
сплаве при этой температуре может оказаться низкой растворимость 
компонентов, которые не входят в избыточные неравновесные фазы 
и находятся после кристаллизации в основном твердом растворе. Тогда при гомогенизационном отжиге будут одновременно протекать 
два процесса: растворение неравновесного избытка фаз в ненасыщенном по отношению к ним твердом растворе, т.е. собственно гомогенизация сплава, и выделение других фаз из пересыщенного по 
отношению к ним твердого раствора, т.е. гетерогенизация структуры. С увеличением времени выдержки при отжиге, например, литых 
алюминиевых сплавов, иногда развивается пористость. 
Главное изменение свойств при гомогенизационном отжиге – повышение пластичности литого сплава. Для многих литейных сплавов 
гомогенизационный отжиг совмещен с нагревом под закалку. В этом