Технология термической и химико-термической обработки

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ  
И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ  
ОБРАБОТКИ 
 
Методические указания  
к выполнению лабораторных работ по курсу  
«Технология обработки и модификации материалов» 
 
Под редакцией С.А. Герасимова 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2014 

УДК 621.78 
ББК 34.651 
         Т38 
Авторы: С. А. Пахомова, А. С. Помельникова,  
М. В. Унчикова, С. Ю. Шевченко 
Рецензент канд. физ.-мат. наук, доц. И.В. Кириллов 
     
Технология 
термической 
и 
химико-термической 
обработки : метод. указания к выполнению лабораторных 
работ по курсу «Технология обработки и модификации 
материалов» / под ред. С. А. Герасимова. — М. : Изд-во 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 60, [4]  с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3877-8 

Рассмотрены основные технологические процессы термиче-
ской и химико-термической  обработки углеродистых и легиро-
ванных сталей различного функционального назначения,  влияние  
технологических параметров на структуру и свойства материалов, 
оптимальные режимы процессов. 
Для студентов третьего курса МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучаю-
щихся по направлению подготовки «Материаловедение и технологии 
материалов» (квалификация — бакалавр). 
Рекомендовано 
Учебно-методической 
комиссией 
Научно-
учебного комплекса «Машиностроительные технологии» МГТУ  
им. Н.Э. Баумана. 
                                                                                                        
                                                                                                          УДК 621.78 
 ББК 34.651 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3877-8 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
                                                           © Оформление. Издательство МГТУ 
                                                        им. Н.Э. Баумана, 2014 

Т38 

Р а б о т а  №  1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА  
УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ 

Цель работы — изучить основные виды термической обра-
ботки сталей и их влияние на свойства и микроструктуру. 

Теоретическая часть 

Термическая обработка является одной из основных операций 
технологического производства полуфабрикатов и деталей машин на 
металлургических и машиностроительных заводах. Термообработку 
применяют как промежуточную операцию для изменения микро-
структуры и улучшения технологических свойств (обрабатываемости 
давлением, резанием) и как окончательную операцию для получения 
требуемых эксплуатационных свойств изделия. 
Термическая обработка включает три основные технологиче-
ские операции: нагрев с определенной интенсивностью до задан-
ной температуры; изотермическую выдержку для прогрева изде-
лия и обеспечения полноты протекания структурных превраще-
ний; охлаждение с определенной скоростью. В зависимости от 
температуры нагрева и скорости охлаждения термическую обра-
ботку сталей подразделяют на отжиг, нормализацию, закалку и 
отпуск. Горячекатаные полуфабрикаты, поковки, штамповые заго-
товки и стальные отливки подвергают отжигу или нормализации, 
которые являются, как правило, видами промежуточной термиче-
ской обработки. Типичная окончательная термическая упрочняю-
щая обработка сталей состоит из закалки и последующего отпуска.  
Свойства стали после термической обработки определяются ха-
рактером превращения переохлажденного аустенита. При небольших 
скоростях охлаждения (100…200 °С/ч) аустенит претерпевает диф-
фузионное превращение в интервале температур 700…550 °С с обра-
зованием структур перлитного типа, представляющих собой смесь 
пластинок перлита и цементита. Дисперсность структуры возрастает 
при увеличении скорости охлаждения и соответственно снижении 
температуры превращения, при этом повышаются прочность и твер-

дость, уменьшается пластичность стали. В зависимости от дисперс-
ности полученную структуру называют перлитом (НВ 180…220), 
сорбитом (НВ 250…350) или трооститом (НВ 400…500). 
При увеличении скорости охлаждения аустенит переохлажда-
ется до низких температур, при которых диффузионные процессы 
становятся невозможными, и полиморфное γ  -превращение 
происходит по сдвиговому механизму. Углерод при этом не успе-
вает выделиться из раствора в виде карбидов, и образуется мар-
тенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. 
Мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную ре-
шетку, степень тетрагональности которой увеличивается с ростом 
концентрации углерода. Превращение аустенита в мартенсит про-
исходит в интервале температур Мн — Мк, который зависит от со-
держания углерода (рис. 1.1) и легирующих элементов.  

t, 

0С

400

200

0             0,3         0,6            0,9      С, %

Мк
Мн

 
Рис. 1.1. Зависимость температуры начала и конца мартенситного  
превращения от содержания углерода 

 Минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая воз-
можность превращения аустенита в мартенсит, называется крити-
ческой скоростью охлаждения. Значение критической скорости 
охлаждения зависит от химического состава аустенита, в углеро-
дистых сталях она велика и превышает 300 °С/с.  
Свойства мартенсита зависят от растворенного в нем углерода 
(рис. 1.2). Образование пересыщенного твердого раствора, атмо-
сфер Котрелла, а также высокая плотность дислокаций обусловли-
вают высокую твердость мартенсита. Хрупкость мартенсита свя-
зана с образованием атмосфер из атомов углерода на дефектах 
строения. 

HR

6

40

С

0

20

0             0,3         0,6            0,9      С, % 
Рис. 1.2. Зависимость твердости закаленной стали  
от содержания углерода 

В интервале температур 500…200 °С реализуется промежуточ-
ное бейнитное превращение, при котором диффузионное переме-
щение атомов железа полностью подавлено, и γ→α-превращение 
происходит сдвиговым путем, а активная диффузия атомов угле-
рода делает возможным выделение карбидов. В результате проме-
жуточного превращения образуется бейнит, смесь α-раствора на 
основе железа и карбида.  
Превращения переохлажденного аустенита лежат в основе тер-
мической обработки сталей: перлитное превращение происходит при 
отжиге второго рода, мартенситное и бейнитное — при закалке. 
Отжигом называется термическая обработка, заключающаяся 
в нагреве до определенной температуры и последующем медлен-
ном охлаждении для получения более равновесной структуры.  
Отжиг первого рода частично или полностью устраняет от-
клонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей 
обработке (литье, прокатке, сварке) за счет самопроизвольно про-
текающих процессов гомогенизации, рекристаллизации, уменьше-
ния остаточных напряжений. Указанные процессы определяют 
название отжига и не связаны с фазовым   -превращением, по-
этому отжиг первого рода можно проводить при температурах 
выше или ниже критических точек А1, А3, 
cm
А
 (рис. 1.3).  
Отжиг второго рода основан на диффузионных фазовых пре-
вращениях, поэтому главными процессами при отжиге сталей явля-
ются аустенитизация с последующим перлитным превращением при 
охлаждении. Различают следующие виды отжига: полный, неполный, 
сфероидизирующий, изотермический (применяют в основном для 
легированных сталей), нормализационный (нормализация). 

Рис. 1.3. Фрагмент диаграммы железо — цементит 

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей с целью 
снижения твердости перед обработкой резанием, устранения поро-
ков структуры (крупнозернистости, видманштеттовой структуры) 
и уменьшения остаточных напряжений. Полная фазовая перекри-
сталлизация крупной исходной ферритно-перлитной структуры в 
мелкозернистую аустенитную происходит при нагреве стали выше 
критической точки Ас3 на 30…50 °С. Последующее медленное 
охлаждение вместе с печью приводит к распаду аустенита при не-
большой степени переохлаждения и формированию равномерной 
и мелкой структуры, состоящей из феррита и перлита. При непол-
ном отжиге доэвтектоидных сталей с нагревом на 30…50 °С выше 
температуры Ас1 происходит лишь частичная перекристаллизация 
вследствие перехода перлита в аустенит, что улучшает обрабаты-
ваемость резанием в результате снижения твердости.  
Заэвтектоидные стали не подвергают полному отжигу с нагре-
вом выше 
,
cm
А
 так как при медленном охлаждении из аустенит-
ной области цементит располагается в виде сетки по границам зе-
рен перлита, что ухудшает механические и технологические свой-
ства. 
Для заэвтектоидных сталей широко применяют сфероидизиру-
ющий отжиг с целью получения структуры зернистого перлита, 

состоящего из феррита и цементита, имеющего сфероидальную 
форму. Для получения структуры зернистого перлита сталь дли-
тельно выдерживают при температуре несколько выше точки Ас1, 
медленно охлаждают со скоростью 30…40 °С/ч до 600 °С и далее 
на воздухе. При таком нагреве в аустените остается большое число 
нерастворившихся частиц цементита, служащих центрами кри-
сталлизации для цементита, выделяющегося при последующем 
охлаждении. Сфероидизирующий отжиг приводит к уменьшению 
твердости и улучшению обрабатываемости резанием высокоугле-
родистых инструментальных сталей, а также является обязатель-
ной операцией перед упрочняющей термообработкой. 
Нормализацией называют термическую обработку, при которой 
сталь нагревают на 30…50 °С выше линии GSE и охлаждают на спо-
койном воздухе, что приводит к распаду аустенита на тонкую фер-
ритоцементитную смесь. Ускоренное по сравнению с отжигом 
охлаждение на воздухе и распад аустенита при более низких темпе-
ратурах повышают прочность и твердость нормализованной средне- 
и высокоуглеродистой стали. Назначение нормализации различно  
в зависимости от состава стали. К низкоуглеродистым сталям нор-
мализацию применяют вместо отжига для улучшения обрабатывае-
мости резанием, устранения пороков структуры, измельчения струк-
туры перед закалкой. Кроме того, нормализация по сравнению с от-
жигом — более экономичная операция. Нормализацию заэвтектоид-
ных сталей применяют для устранения цементитной сетки. При 
нагреве выше точки 
cm
А
 вторичный цементит растворяется, а при 
последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает обра-
зовываться.  
Закалка — термическая обработка, в результате которой в ста-
лях образуется неравновесная мартенситная структура. Цель за-
калки — получение высокой твердости и износостойкости. 
 Для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку с нагре-
вом в однофазную аустенитную область: оптимальная температура 
закалки на 30…50 °С выше точки Ас3. При более высоких температу-
рах закалки может сильно вырасти зерно аустенита, в пределах кото-
рого образуются более крупные кристаллы мартенсита, и механиче-
ские свойства ухудшатся. Неполная закалка от температур в интерва-
ле Ас1…Ас3 для доэвтектоидных сталей не рекомендуется, так как 
зерна избыточной фазы феррита понижают твердость стали.  
Для заэвтектоидных сталей применяют неполную закалку с 
нагревом до межкритических температур 
1...
:
cm
Ac
А
 оптимальная 

температура закалки на 30…50 °С выше критической Ас1. При не-
полной закалке заэвтектоидной стали в структуре сохраняется це-
ментит, который повышает твердость и износостойкость. Полная 
закалка заэвтектоидных сталей приводит к укрупнению аустенит-
ного зерна, усилению обезуглероживания поверхности и росту за-
калочных напряжений. При нагреве выше точки 
cm
А
 твердость 
закаленной стали снижается из-за растворения твердых цементит-
ных частиц и увеличения количества остаточного аустенита. 
При закалке стальных изделий образование мартенсита вызы-
вает увеличение объема, что в условиях быстрого охлаждения и 
неодновременного превращения по объему детали создает оста-
точные напряжения. Остаточные напряжения могут привести к 
короблению деталей и образованию трещин в процессе закалки, а 
также вызвать деформацию деталей при эксплуатации, поэтому 
все закаленные детали обязательно подвергают отпуску. 
Отпуск — термическая обработка закаленной на мартенсит 
стали, приводящая к распаду мартенсита. Отпуск является заклю-
чительной операцией упрочняющей термической обработки, в ре-
зультате которой сталь получает требуемые механические свой-
ства. При отпуске повышаются вязкость, пластичность, снижаются 
прочность и твердость. Кроме того, отпуск полностью или частич-
но устраняет закалочные напряжения.  
Отпуск осуществляют путем нагрева закаленной стали до тем-
ператур, меньших Ас1, выдержки и охлаждения на воздухе. Про-
должительность отпуска не должна превышать нескольких часов. 
Основным превращением при отпуске является распад мартен-
сита с выделением карбидов: при низких температурах отпуска — 
ε-карбида, начиная с 250 °С, — цементита, частицы которого коа-
гулируют и приобретают сфероидальную форму при температуре 
выше 350 °С.  
При 400 °С -раствор полностью освобождается от избытка 
углерода, снимается фазовый наклеп и завершается переход мар-
тенсита в феррит. В интервале температур 200…300 °С происхо-
дит распад остаточного аустенита. 
В зависимости от температуры различают три вида отпуска: 
низкий, средний и высокий. 
Низкий отпуск — нагрев закаленной углеродистой стали до 
температуры, не превышающей 250 °С. Он практически не снижа-
ет твердости закаленной стали, так как образуется структура мар-
тенсита отпуска, поэтому рекомендуется при термической обра-
ботке инструмента, деталей подшипников качения и деталей после 
цементации. 

Средний отпуск — нагрев закаленной стали до температур 
350…450 °С, в результате которого образуется структура троости-
та отпуска. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости 
и релаксационную стойкость, приводит к небольшому снижению 
твердости до 40…50 HRC, его применяют для пружин, рессор и 
некоторых видов штампов. 
Высокий отпуск — нагрев закаленной стали до температур 
450…650 °С для получения структуры сорбита отпуска. Высокий 
отпуск вызывает значительное снижение твердости, повышение 
пластичности. После высокого отпуска значения предела текуче-
сти и ударной вязкости выше, чем после нормализации или отжи-
га, что объясняется изменением формы цементитных частиц. Це-
ментит в сорбите, образующемся при нормализации, имеет форму 
длинных пластин, а цементит в сорбите, полученном в результате 
закалки и высокого отпуска, — форму мелких округлых частиц. 
Сорбит отпуска обеспечивает хорошее сочетание прочности, 
вязкости и пластичности. Закалка с последующим высоким отпус-
ком называется улучшением и рекомендуется для таких деталей, 
как валы, шестерни и др. 
Задание: 
1) определить режимы типичной промежуточной термической 
обработки доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей;  
2) провести термическую обработку и измерить твердость об-
разцов из стали 45 после полного перекристаллизационного отжи-
га и нормализации;  
3) указать типичные режимы окончательной термической об-
работки углеродистых сталей; 
4) провести закалку сталей 45 и У10 с разных температур и 
найти оптимальную температуру нагрева под закалку, измерить 
твердость образцов и определить микроструктуру; 
5) построить картограмму твердости стали 45 после перекри-
сталлизационного отжига, нормализации и закалки; 
6) провести отпуск закаленных образцов из сталей 45 и У10, 
измерить твердость и определить структуру. 

Порядок выполнения работы 

1. Нарисовать область сталей диаграммы железо — цементит и 
указать температурный интервал нагрева при разных видах термической 
обработки доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей. В от-

чете на термокинетической диаграмме стали 45 нанести векторы, 
характеризующие скорости охлаждения при различных видах термической 
обработки с указанием конечной микроструктуры. Заполнить 
табл. 1.1. 

Таблица 1.1  

Типичная промежуточная термическая обработка сталей 

Стали 
Вид  
термической 
обработки 

Назначение 


Температурный 
интервал 
нагрева, °С 

Охлаждающая 

среда 

Микроструктура 


Доэвтекто-
идные 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

Заэвтекто-
идные 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

 
2. Определить температурный интервал нагрева при термической 
обработке с учетом того, что температура Ас3 для стали 45 
равна 800 °С. Отжиг из-за длительности процесса проводится лаборантом 
заранее. Твердость по Роквеллу образцов после отжига и 
нормализации измерить шариком при нагрузке 1000 Н (шкала В). 
3. Заполнить табл. 1.2. 

Таблица 1.2 

Типичная окончательная упрочняющая термическая обработка  
сталей 

Вид термической 
обработки 
Назна-
чение 

Температур-
ный интервал 
нагрева, °С 

Охлажда-
ющая  
среда 

Микро-
структура 

Закалка доэвтек-
тоидных сталей 
 
 
 
 

Закалка заэвтекто-
идных сталей 
 
 

Низкий отпуск 
 
 
 
 

Средний отпуск 
 
 
 

Высокий отпуск