Технология и оборудование термической и химико-термической обработки. Теория и технология термической обработки металлов и сплавов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

Ф.М. Носков, Л.И. Квеглис, М.В. Носков

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ  
ТЕРМИЧЕСКОЙ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ 
ОБРАБОТКИ

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ   
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ  МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Учебное пособие 

Красноярск 
СФУ 
2018

УДК 621.778.04(07)
ББК 34.651я73
Н844

Р е ц е н з е н т ы: 
Н. М. Романченко, кандидат технических наук, доцент кафедры 
«Общеинженерные дисциплины» Красноярского государственного 
аграрного университета;
А. А. Климов, кандидат технических наук, доцент Красноярского 
института железнодорожного транспорта

Носков, Ф. М.
Н844 
 
Технология и оборудование термической и химико-термической обработки. Теория и технология термической обработки 
металлов и сплавов : учеб. пособие / Ф. М. Носков, Л. И. Квеглис, М. В. Носков. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2018. – 
334 c.
ISBN 978-5-7638-3921-0

Представлены сведения по теории термической обработки металлов 
и сплавов, а также по технологическим приемам и режимам обработки конкретных сплавов, применяемых в промышленности. Учебное пособие знакомит с практикой термической обработки, что придает теоретическому материалу прикладное значение и делает его более доступным. 
Предназначено для бакалавров направления 22.03.01 «Материаловедение 
и технологии материалов», профиль 22.03.01.07 «Материаловедение и технологии материалов в машиностроении».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.778.04(07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 34.651я73

ISBN 978-5-7638-3921-0 
© Сибирский федеральный
университет, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение .......................................................................................................6
1. Характеристика и классификация видов  
термической обработки .......................................................................8
1.1. Характеристика процессов термической обработки .........................8
1.2. Классификация видов термической обработки  
металлов и сплавов ............................................................................ 13
2. Отжиг ................................................................................................... 16
2.1. Отжиг первого рода ........................................................................... 17
2.1.1. Отжиг, уменьшающий напряжения ....................................... 17
2.1.1.1. Виды упругих напряжений ............................................. 18
2.1.1.2. Условия снятия остаточных напряжений ...................... 20
2.1.1.3. Технология отжига, уменьшающего напряжения ........ 22
2.1.2. Гомогенизационный отжиг..................................................... 24
2.1.2.1. Процесс равновесной кристаллизации сплавов ........... 24
2.1.2.2. Процесс неравновесной кристаллизации сплавов ....... 27
2.1.2.3. Последствия неравновесной кристаллизации  
и особенности их устранения ...................................................... 33
2.1.2.4. Технологические параметры гомогенизационного  
отжига и технология отжига некоторых реальных сплавов ..... 35
2.1.2.5. Дефекты, возникающие в сплавах после  
гомогенизационного отжига ........................................................ 38
2.1.3. Рекристаллизационный отжиг ............................................... 40
2.1.3.1. Влияние пластической деформации  
на структуру металлов ................................................................. 40
2.1.3.2. Влияние пластической деформации на свойства  
металлов и сплавов ....................................................................... 46
2.1.3.3. Дорекристаллизационные процессы при нагреве  
холоднодеформированного материала ....................................... 47
2.1.3.4. Рекристаллизационные процессы при отжиге  
деформированного металла ......................................................... 50
2.1.3.5. Основные закономерности и технологические  
параметры рекристаллизации ..................................................... 55
2.1.3.6. Влияние рекристаллизационного отжига  
на свойства металлов и сплавов .................................................. 59
2.1.3.7. Технология рекристаллизационного отжига  
реальных сплавов ......................................................................... 60

Оглавление

2.2. Отжиг второго рода ............................................................................ 63
2.2.1. Особенности процесса фазовой перекристаллизации  ........ 64
2.2.2. Изотермическая кинетика фазовых превращений  
при нагреве и охлаждении ..................................................... 69
2.2.3. Фазовая перекристаллизация в сталях при нагреве............. 73
2.2.3.1. Аустенитное превращение .............................................. 74
2.2.3.2. Размер аустенитного зерна ............................................. 76
2.2.4. Фазовая перекристаллизация стали при охлаждении ......... 79
2.2.4.1. Перлитное превращение ................................................. 79
2.2.4.2. Особенности перлитного превращения  
в различных условиях .................................................................. 83
2.2.4.3. Бейнитное превращение ................................................. 88
2.2.4.4. Влияние легирования на перлитное превращение ....... 90
2.2.5. Технология отжига второго рода для сталей ........................ 92
2.2.6. Фазовая перекристаллизация в чугунах ............................... 96
2.2.6.1. Технология отжига второго рода для чугунов .............. 98
2.3. Особенности нагрева изделий при термообработке ..................... 100
2.3.1. Укладка и ориентация изделий при термообработке ......... 100
2.3.2. Технологические среды термической обработки ............... 104
2.3.2.1. Факторы, определяющие эффективность сред ........... 104
2.3.3. Режимы нагрева ..................................................................... 107

3. Закалка .............................................................................................. 116
3.1. Закалка сплавов с полиморфным превращением ......................... 116
3.1.1. Основные особенности мартенситного превращения ....... 117
3.1.1.1. Особенности соотношения «аустенит – мартенсит»  
при мартенситном превращении ............................................... 117
3.1.1.2. Особенности кинетики мартенситного превращения 121
3.1.2. Строение и виды мартенсита  .............................................. 125
3.1.3. Закаливаемость и прокаливаемость стали .......................... 127
3.2. Технология закалки стали ............................................................... 135
3.2.1. Технологические параметры закалки стали ....................... 136
3.2.2. Закалочные среды ................................................................. 141
3.2.3. Расчет скорости охлаждения изделий  
при термообработке .............................................................. 145
3.2.4. Технологические приемы охлаждения  
изделий при закалке .............................................................. 146
3.2.5. Дефекты, возникающие при закалке стали ........................ 151
3.3. Способы закалки стали ................................................................... 153

Оглавление

3.3.1. Способы объемной закалки стали ....................................... 153
3.3.2. Поверхностная закалка стали .............................................. 159
3.3.2.1. Поверхностная закалка при нагреве токами  
высокой частоты ......................................................................... 160
3.3.2.2. Лазерная поверхностная обработка ............................. 166
3.4. Закалка сплавов без полиморфного превращения ........................ 167
3.4.1. Технология закалки сплавов без полиморфного  
превращения .......................................................................... 168
3.4.2. Влияние закалки сплавов без полиморфного  
превращения на их свойства ................................................ 170
4. Отпуск и старение ........................................................................... 172
4.1. Отпуск закаленных на мартенсит сплавов .................................... 172
4.1.1. Основные превращения при отпуске стали ........................ 172
4.1.2. Структура и свойства стали после отпуска ........................ 176
4.1.3. Технология отпуска стали .................................................... 178
4.1.4. Отпускная хрупкость ............................................................ 183
4.2. Старение закаленных сплавов ........................................................ 184
4.2.1. Изменение структуры сплавов при старении ..................... 185
4.2.2. Технология старения и свойства сплавов ........................... 187
5. Химико-термическая и термомеханическая обработка .......... 192
5.1. Основные особенности химико-термической обработки  ........... 192
5.2. Химико-термическая обработка путем насыщения стали  
неметаллами ..................................................................................... 194
5.2.1. Цементация ............................................................................ 195
5.2.1.1. Процесс формирования цементованного слоя  
и его структура ............................................................................ 195
5.2.1.2. Цементация твердым карбюризатором ....................... 197
5.2.1.3. Газовая цементация ....................................................... 199
5.2.1.4. Термическая обработка после цементации ................. 200
5.2.2. Азотирование ......................................................................... 202
5.2.3. Цианирование и нитроцементация ...................................... 206
5.3. Химико-термическая обработка путем диффузионного  
насыщения стали металлами........................................................... 206
5.4. Термомеханическая обработка стали ............................................. 208
Лабораторные и практические работы ............................................ 212
Заключение ............................................................................................. 310
Библиографический список ................................................................ 311
Приложения ........................................................................................... 331

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие содержит сведения по теории процессов термической и химико-термической обработки, а также по технологии этих процессов, применяемых на металлургических и машиностроительных заводах.
Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах она является важнейшим звеном технологического процесса производства полуфабрикатов 
и деталей машин. Термообработку применяют как предварительную 
и промежуточную операцию для улучшения обрабатываемости полуфабрикатов давлением или резанием и как окончательную операцию для 
придания деталям машин такого комплекса механических, физических 
и химических свойств, который обеспечит им необходимые эксплуатационные характеристики. При этом в результате нагрева до определенной температуры и охлаждения происходит изменение строения металла и, как следствие этого, изменение его свойств в широких пределах.
Возможность значительного повышения механических свойств 
после термической обработки по сравнению с исходным состоянием 
позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры 
и массу машин и механизмов, повысить надежность и срок службы изделий. Улучшение свойств в результате термической обработки дает 
возможность применять сплавы более простых составов (и поэтому более дешевые). Новые свойства сплавов расширяют область их применения. Поэтому термическую обработку применяют во всех отраслях промышленности, занятых обработкой металлов и металлических сплавов.
От бакалавра направления 22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов» требуются знания по теории и современной технологии термической обработки. Согласно основной образовательной 
программе и учебному плану для бакалавров СФУ профиля 22.03.01.07 
«Материаловедение и технологии материалов в машиностроении» 
предусматривается изучение дисциплины отраслевой подготовки «Технология и оборудование термической и химико-термической обработки». Курс включает две части. Первая часть – «Теория и технология 

Введение

термической обработки металлов и сплавов» – изучается студентами 
в 6-м семестре, вторая часть – «Технология и оборудование термической обработки» – в 7-м семестре.
Курс «Технология и оборудование термической обработки» читается после изучения дисциплины «Основы материаловедения» и «Основы кристаллографии и металлография», а также после прохождения 
2-й квалификационной практики, которая знакомит студентов с современными методами структурного анализа материалов. В предлагаемом 
учебном пособии, предназначенном для аудиторной и самостоятельной 
работы студентов, изложена теория и технология термообработки в необходимом для бакалавра объеме. В заключительном разделе приведены методические указания для проведения лабораторных и практических работ.

1.  ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ  
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Теорию термической обработки составляет учение об изменениях 
строения и свойств металлов или сплавов при тепловом воздействии, не 
исчезающих после его прекращения.
Теория термообработки более подробно рассматривает изменение 
структуры металлического материала при нагревании и охлаждении, 
а также сопутствующие изменения свойств, влияющих на поведение 
этих материалов при обработке и эксплуатации.
Теория термической обработки состоит из трех взаимосвязанных 
частей: фазовые превращения, тепловые процессы и теория химикотермической обработки. Она получила современное развитие на основе 
использования таких разделов фундаментальных наук, как физическая 
химия, физика металлов. 

1.1. Характеристика процессов термической обработки

Современная технология термообработки базируется на целенаправленном и нередко многократно производимом тепловом воздействии на изделия. Основой любого процесса термообработки является 
изменение температуры изделия во времени. Температурный режим 
(температурно-временной цикл) является главнейшим фактором каждой термической операции и складывается из температурных интервалов основных ее стадий – нагрева, выдержки и охлаждения.
Термическая обработка – это технологический процесс, заключающийся в нагреве металла или сплава, выдержке его при повышенной 
температуре и охлаждении. Как правило, характер охлаждения и его 
условия позволяют получить требуемый комплекс механических либо 
физико-химических свойств материала, улучшить эксплуатационные 
характеристики работы изделий или повысить технологичность материала при изготовлении деталей машин и механизмов.
Различные температурные режимы могут графически изображаться в координатах температура – время (рис. 1.1). С помощью таких 

1.1. Характеристика процессов термической обработки

графиков можно определить общую длительность операции, плавность 
перехода от одной температурной ступени к другой, скорости нагрева 
и охлаждения.
Для анализа изменения температурного состояния по сечению изделия или садки составляют два графика: один показывает температуру 
поверхности 2 изделия или садки, а другой – их сердцевины 3 (рис. 1.2). 
Сопоставляя эти графики, выявляют температурный градиент по сечению изделия или садки. Для регулирования и контроля воздействующих 
параметров термообработки составляют график температурного режима рабочего пространства оборудования 1.

Рис. 1.1. Графики процессов термообработки: а – одноступенчатой; 
б – многоступенчатой; 1 – нагрев; 2 – выдержка; 3 – охлаждение

а 
б

Рис. 1.2. График температурного режима печного пространства 1, 
поверхности 2 и сердцевины 3 изделия

1 

 
 
а 
б 
 
Рис. 1.1. Графики процессов термообработки: а – одноступенчатой; б – многоступенчатой; 
1 – нагрев; 2 – выдержка; 3 – охлаждение 
 
 
 

 
 
Рис. 1.2. График температурного режима печного пространства 1, поверхности 2 и сердцевины 3 изделия 
 
 
 
 
 
 

1.  Характеристика и классификация видов термической обработки 

Температурные режимы могут быть одно- и многоступенчатыми 
(рис. 1.1, а, б). В многоступенчатых режимах большое значение имеет 
скорость перехода от одной температурной ступени к другой. 
Существенное влияние на скорость и равномерность нагрева 
и охлаждения оказывает один из определяющих технологических факторов – коэффициент формомассы изделия, выражаемый отношением 
W = S/V, где S – общая активная поверхность изделия или садки; V – 
объем того же изделия или садки. Коэффициент формомассы W характеризует степень восприимчивости изделия (садки) к технологическому 
воздействию: при одинаковой интенсивности энергетического воздействия и одинаковых теплопроводности и температуропроводности металла изделие или садка с меньшим коэффициентом формомассы нагреваются и охлаждаются медленнее.
Например, шар как тело, имеющее минимально возможную площадь поверхности, будет нагреваться и охлаждаться медленнее тонкой 
пластины той же массы, но обладающей большим коэффициентом формомассы.
Однако при термообработке изделий сложной конфигурации 
с участками, сильно отличающимися друг от друга формой и массой, 
определить коэффициент формомассы изделия в целом бывает затруднительно. Поэтому на основе коэффициентов вначале для каждого 
участка простой формы определяют скорости их нагрева и охлаждения, 
температурные перепады между ними, а затем по максимальным и минимальным значениям коэффициентов устанавливают режим термообработки всего изделия.
По характеру обработки отдельных участков и поверхностей изделия термические операции разделяются на сквозную (объемную) обработку, поверхностную и местную обработку, обработку по частям.
Операции объемной обработки связаны с технологическим воздействием на все изделие с целью получения более или менее одинаковых свойств во всех его точках.
При поверхностной обработке упрочняют поверхностные слои, 
чаще всего на отдельных участках изделия (рис. 1.3, а, б). К таким операциям относятся поверхностная закалка, азотирование, цементация, 
поверхностная ТМО и др.

1.1. Характеристика процессов термической обработки

Операции местной обработки предназначены для упрочнения отдельных участков детали (рис. 1.3, в, г). Такую термообработку проводят либо путем локального нагрева и охлаждения сильно нагруженных 
участков изделия, либо посредством защиты неупрочняемых участков 
от нагрева или охлаждения с помощью особых приспособлений.

Разновидностью местной обработки является дифференцированная обработка. Она применяется, когда нужно получить различные 
свойства отдельных участков одной и той же детали. Этого достигают, 
комбинируя разные способы упрочнения, например объемное улучшение с последующей поверхностной закалкой ее участков (рис. 1.3, д).
Так как отдельные участки многих деталей и изделий работают 
в неодинаковых условиях, подвергаясь при этом различным механическим, тепловым и химическим воздействиям, то в настоящее время широкому использованию поверхностной, местной и дифференциальной 
термообработки придают большое значение. С помощью этих операций 
обеспечивают необходимые эксплуатационные свойства изделий и минимальную их металлоемкость.

Рис. 1.3. Примеры оформления на чертежах 
технических требований на термообработку

1.  Характеристика и классификация видов термической обработки 

Число одновременно обрабатываемых изделий. Одновременно 
термической обработке могут подвергаться одно изделие (целиком), отдельные участки изделия, некоторое число изделий (садка), несколько 
передаточных партий.

При обработке штучным способом, единственно возможным в таких операциях, как поверхностная закалка и закалка в штампах или 
нагрев в электроконтактных установках, нет явлений загораживания 
одних изделий другими, отсутствует действие веса верхних изделий на 
нижние. Это обеспечивает оптимальные индивидуальные технологические условия и позволяет производить термообработку любым способом: объемным, местным, поверхностным, а также более точно регулировать технологический режим.
Широко распространена обработка садками и передаточными 
партиями. Садка представляет собой значительное число изделий, одновременно обрабатываемых в оборудовании периодического действия. 
Передаточная партия – это изделия, одновременно загружаемые в оборудование поточного действия; ее часто размещают в одном приспособлении-спутнике – поддоне, подвеске, корзине.
Скорость, точность и производительность термообработки садками и передаточными партиями во многом зависят от правильной орга
Рис. 1.4. Обработка по частям длинномерных и крупногабаритных изделий: 
1 – горелка; 2 – разбрызгиватель

2 

 
 
Рис. 1.3. Примеры оформления на чертежах технических требований на термообработку 
 
 
 

 
 
Рис. 1.4. Обработка по частям длинномерных и крупногабаритных изделий: 1 – горелка; 2 
– разбрызгиватель 
 

1.2. Классификация видов термической обработки  металлов и сплавов

низации технологического процесса. Эффективным является такой технологический процесс, при котором достоинства штучной обработки 
рационально согласуются с преимуществами партионной обработки.
Операциям обработки по частям (рис. 1.4) подвергают длинномерные изделия типа проволоки, ленты, прутков, труб, а также некоторые 
массивные детали: валки, плиты, кольца. Чаще всего такие операции 
выполняют непрерывно-последовательным способом при перемещении 
изделий или нагревательных и охладительных устройств.

1.2. Классификация видов термической обработки  
металлов и сплавов

А. А. Бочвар разработал классификацию, охватывающую многочисленные разновидности термической обработки черных и цветных 
металлов и сплавов.
Одновременно с развитием теоретических представлений совершенствовались старые и разрабатывались новые способы термообработки, например термомеханическая обработка, и создавались новые 
термические упрочняемые сплавы.
Итогом многочисленных исследований явилась стройная теория 
термической обработки, которая позволяет научно обоснованно разрабатывать технологические процессы и получать сплавы с заданными 
свойствами.
Термическая обработка металлов и сплавов является основным 
упрочняющим видом обработки, обеспечивает конструкционную прочность машин и механизмов, повышает их эксплуатационные характеристики, способствует экономии материалов и энергии. Многие высоколегированные инструментальные стали или стали со специальными 
свойствами, например быстрорежущие или коррозионностойкие стали, 
приобретают свои рабочие характеристики только в результате проведения специальной термической обработки. Это в меньшей степени касается и конструкционных легированных сталей, преимущества которых 
перед углеродистыми сталями также проявляются в результате термической обработки. Термическая обработка, проводимая с целью повышения технологических свойств, обеспечивает возможность проведения