Теория термической и химико-термической обработки

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

 
 
 
В.Н. Симонов, Ю.А. Пучков,  
П.П. Андреев 
 
 
 
 
ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ  
И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ 
 
Под редакцией С.А. Герасимова 
 
 
Методические указания  
к лабораторным работам по курсу  
«Технология обработки и модификации материалов» 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2014 

УДК 621.78 
ББК 34.651 
         С37 
 
Издание доступно в электронном виде на портале e-book.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/47/book179.html 

Факультет «Машиностроительные технологии» 

Кафедра «Материаловедение» 

Рекомендовано Учебно-методической комиссией 
факультета «Машиностроительные технологии» 
МГТУ им. Н.Э. Баумана 

Авторы: В.Н. Симонов, Ю.А. Пучков, П.П. Андреев 

Рецензент 
канд. техн. наук, доцент И. В. Кириллов 
 
     
Симонов В.Н.  
Теория термической и химико-термической обработки : 
метод. указания к лабораторным работам по курсу «Техно-
логия обработки и модификации материалов» / В. Н. Симонов, 
Ю. А. Пучков, П. П. Андреев ; под ред. С. А. Герасимова. —  
М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. — 35, [5] с. : ил. 
ISBN 978-5-7038-3878-5 

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 специальности «Материаловедение в машиностроении». 
                                                                                                        
                                                                                                          УДК 621.78 
  ББК 34.651 
 
 
 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 
© Оформление. Издательство 
ISBN 978-5-7038-3878-5                                  МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014 

С37 

Р а б о т а  №  1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ  
КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК ПРИ НАГРЕВЕ СТАЛЕЙ 

Цель работы — определение критических точек доэвтектоид-
ных, заэвтектоидных и эвтектоидных углеродистых и легирован-
ных сталей методом пробных закалок; исследование влияния ле-
гирующих элементов на положение критических точек. 

Теоретическая часть 

Знание критических точек необходимо для расчета характери-
стик превращений и задания режима термической обработки. 
Поскольку в углеродистых сталях примеси мало влияют на по-
ложение критических точек, для их определения можно использовать 
с некоторым приближением диаграмму железо—углерод. Однако 
при увеличении содержания в сталях марганца (свыше 0,7 %) 
или кремния (свыше 0,6 %), а также введении других легирующих 
элементов (например, никеля, хрома) положение критических точек 
значительно изменяется. 
Необходимость экспериментального определения критических 
точек возникает: 
1) когда отсутствуют диаграммы состояния многокомпонентных 
систем; 
2) при разработке новых составов и марок сталей; 
3) в случае плавок сложнолегированных сталей, критические 
точки которых требуют корректировки, т. е. возможные отклонения 
в содержании отдельных элементов от среднего состава существенны. 

Для поиска критических точек применяют методы пробных 
закалок, дилатометрический, дифференциальный термический и 
резистометрический. Метод пробных закалок наиболее прост, но менее 
точен. Он состоит в том, что образцы нагревают до определенных 
температур, повышая их с интервалом 10…15 °С, затем быстро 
охлаждают в воде. В зависимости от фазовых превращений при 

нагреве и последующем охлаждении изменяется твердость стали. 
Так, при обработке доэвтектоидной стали (например, с 0,4 % углерода) 
до температуры ниже точки Ас1 структура не изменяется и 
твердость не повышается, она может даже несколько снизиться, 
если сталь была недостаточно отпущена или отожжена. 
Твердость возрастает, если сталь нагреть несколько выше точки 
Аc1 и охладить в воде. Тогда при нагреве она получает структуру 
феррит + аустенит, которая при охлаждении превращается в 
структуру феррит + мартенсит. Образование мартенсита увеличивает 
твердость. При дальнейшем нагреве вплоть до Аc3 твердость 
возрастает, так как количество мартенсита увеличивается. В случае 
закалки от температуры Аc3 структура полностью мартенситная 
и не изменяется при дальнейшем повышении температуры, 
твердость сохраняется постоянной. 
Для заэвтектоидных сталей изменение твердости также зависит 
от фазовых превращений. Однако метод оказывается недостаточно 
чувствительным для нахождения температуры в точке Аrm. 
Задание: 
1) определить температуры критических точек для углеродистых 
и легированных сталей; 
2) рассчитать доверительный интервал температуры критических 
точек. 

Порядок выполнения работы 

1. Получить образцы (5 шт.) углеродистых сталей в отожженном 
состоянии без указания марки: 
а) чтобы использовать минимальное количество образцов и 
повысить точность определения температур критических точек 
для углеродистых сталей (± 5 °C), перед назначением температур 
пробных закалок приблизительно установить состав сталей «по 
искре», уточнив его металлографическим методом. Зная приблизительный 
химический состав сталей из диаграммы состояния железо—
углерод, ориентировочно наметить температуры критических 
точек, а также интервал температур пробных закалок. Закалку 
проводить начиная с температуры ниже точки Aс1, постепенно повышая 
ее; 
б) перед загрузкой в печь измерить твердость (шкала HRB, 
одного-двух образцов по Роквеллу). Полученные значения перевести 
в твердость по Бринеллю; 

в) для сокращения времени все образцы одной марки загрузить 
в печь, нагретую до наиболее низкой температуры, принятой в исследовании. 
Выдержать при этой температуре 10 мин (толщина образцов 
15 мм), затем один образец быстро вынуть и перенести в бак 
с водой и, интенсивно перемешивая, охладить. Температуру в печи 
повысить на 10 °С,  выдержать образцы 10 мин, повторить операции 
с оставшимися образцами в принятой последовательности; 
г) образцы зачистить и измерить твердость по Роквеллу с пе-
реводом измерений на шкалу HB. Построить зависимость твердо-
сти от температуры закалки; 
д) детально (в соответствии с теоретическими данными, полу-
ченными на лекциях и из литературы) изучить фазовые превраще-
ния в углеродистых сталях при нагреве и последующей закалке. Со-
ставить качественное представление о характере изменения твердо-
сти в зависимости от температуры закалки для предполагаемого 
химического состава углеродистой стали. Проанализировать экспе-
риментальную зависимость твердости стали от температуры проб-
ной закалки. Найти температуры критических точек, окончательно 
(по диаграмме железо—углерод) уточнить химический состав ис-
следуемой стали и определить ее марку. 
2. Получить образцы (5 шт.) легированных сталей: 
а) методика проведения экспериментов (нагрев, охлаждение, 
измерение твердости) такая же, как и для углеродистых сталей; 
б) определить способом пробных закалок критические точки 
Ас1 и Ас3 легированной марганцовистой стали 45Г2. Образцы 
нагревать соответственно до 700, 730, 750, 770, 790 °С. Сравнить 
критические точки стали 45Г2 (по данным опыта) и стали 45 (по 
диаграмме железо—углерод); 
в) найти критические точки стали 30ХГСА. Использовать тем-
пературы пробных закалок 730, 770, 800, 830, 890 °С. Сравнить 
критические точки стали 30ХГСА (по результатам опыта) с крити-
ческими точками углеродистой стали (с содержанием углерода  
0,3 %) по диаграмме железо—углерод; 
г) по литературным источникам рассмотреть влияние легиру-
ющих элементов (марганца, хрома, кремния) на фазовые превра-
щения. 
Отчет должен содержать: 
1) цели, задачи  работы и методику проведения экспериментов; 
2) экспериментальные данные и полученные зависимости; 
3) объяснение установленным зависимостям; 

4) оценку точности и надежности экспериментальных резуль-
татов. 

Контрольные вопросы 

1. В каких случаях определяют критические точки методом 
пробных закалок? 
2. Каковы характеристики методов определения критических 
точек? Оценить их точность и области применения. 
3. Каким образом металлографически определяется содержа-
ние углерода в доэвтектоидных углеродистых сталях? 
4. Какие фазовые превращения происходят при нагреве и закалке 
изучаемых сталей? 
5. Каким образом влияют легирующие элементы на положение 
критических точек? 
6. В чем заключаются особенности изменения твердости 
доэвтектоидных  и заэвтектоидных сталей в зависимости от температуры 
закалки и какими причинами они обусловлены? 
 

Р а б о т а  №  2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ  
ДИФФУЗИОННОГО НАСЫЩЕНИЯ  
ПРИ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ  
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 

Цель работы — изучение основных закономерностей диффузионного 
насыщения металлов, особенностей формирования диффузионного 
слоя при химико-термической обработке. На примере азотирования 
ниобия исследовать кинетику процесса и рассмотреть методы 
расчета коэффициента и энергии активации диффузии. 

Теоретическая часть 

Химико-термическая обработка (ХТО) заключается в сочетании 
термического и химического воздействия с целью изменения 
химического состава и структуры поверхностного слоя металла 
или сплава. При ХТО происходит поверхностное насыщение металлического 
материала соответствующим элементом (C, N, B, Al, 
Cr, Si, Ti и др.) путем его диффузии в атомарном состоянии из 
внешней среды (твердой, газовой, паровой, жидкой) при высокой 
температуре. 
Широкое применение ХТО в машиностроении объясняется 
тем, что большинство деталей машин и механизмов работают в 
условиях износа, кавитации, циклических нагрузок, коррозии при 
криогенных или высоких температурах, когда максимальные 
напряжения возникают в поверхностных слоях металла. Химикотермическую 
обработку металлов и сплавов проводят для их поверхностного 
упрочнения, защиты от коррозии, повышения 
надежности и долговечности деталей машин. 
Химический состав, строение и свойства диффузионного слоя 
зависят от технологических факторов (состава насыщающей среды, 
температуры, продолжительности обработки, давления) и природы 
взаимодействия металла с насыщающим компонентом, определяемого 
диаграммой состояния. 

Последовательность образования диффузионных слоев при ХТО 
качественно соответствует последовательности расположения фаз на 
диаграмме состояния. 
Формирование диффузионного слоя на поверхности металла 
состоит из нескольких элементарных процессов — стадий ХТО: 
1) образование активных атомов в насыщающей среде в результате 
химических реакций; 
2) адсорбция активных атомов поверхностью металла под действием 
вандерваальсовых сил притяжения; 
3) поглощение (растворение) поверхностью части этих атомов 
с установлением химических связей с атомами металла (абсорбция); 

4) диффузия — перемещение вглубь металла абсорбированных 
атомов. Процесс диффузии возможен только при растворимости 
насыщающего элемента в обрабатываемом металле и достаточно 
высокой температуре, обеспечивающей необходимую энергию 
диффундирующим атомам, или при образовании промежуточных 
фаз (карбидов, нитридов) переменного состава. 
Интенсивность ХТО определяется диффузионной стадией, 
протекающей с наименьшей скоростью, поэтому основное внимание 
следует уделить закономерностям диффузии. Для описания 
этого процесса в твердом кристаллическом теле предложено несколько 
возможных механизмов диффузии: вакансионный, циклический, 
обменный, междоузельный и краудионный. В металлах 
при образовании твердых растворов замещения диффузия в основном 
происходит по вакансионному механизму. При образовании 
твердых растворов внедрения реализуется механизм диффузии по 
междоузлиям. 
Рассмотрим процесс поверхностного насыщения на основе 
макроскопической теории диффузии, базирующейся на первом и 
втором законах Фика. Согласно этой теории, в любой точке диффузионной 
зоны на расстоянии x от поверхности металла концентрация 
диффундирующего элемента С изменяется во времени  в 
соответствии со вторым законом Фика: 

 
  

2

2
,
C
C
D
x













  
(2.1) 

который выводится на основе первого закона Фика: 

,
C
I
D
dsd
x


 


  
(2.2) 

где I — поток атомов, моль/м2; D — коэффициент диффузии, не 
зависящий от концентрации, м2/c; х — координата диффузии, м. 

Уравнение диффузии (2.1) решают, выбрав определенные граничные 
условия. В простейшем случае можно получить решение 
для диффузии в полубесконечное пространство, т. е. предположить, 
что толщина диффузионной зоны намного меньше толщины 
образца и концентрация насыщающего элемента на поверхности 
металла С0 постоянна. Тогда решение второго закона Фика имеет 
вид 

   
0
( , )
erfc
,

2

X
C x
C

D



 






   
 (2.3) 

где erfc — функция ошибок Гаусса. 

Ее значение находят по справочной таблице или из графика 

0

,

2

С
х
f
С
D










 представленного на рис. 2.1. 

Рис. 2.1. Зависимость

0
С
С от

2

х
D

 

Если в качестве показателя глубины проникновения диффундирующего 
элемента выбрать расстояние x  от поверхности до точки с 
постоянной концентрацией С, то из уравнения (2.3) следует 

  

2

х
D

= const,  

 
2

0

4
,
С
X
D
С

   
(2.4) 

т. е. изменение глубины проникновения близко к параболической 
зависимости. 

Зависимость С = f (х) при известном  (рис. 2.2) может быть 

получена с помощью химического, спектрального, рентгеноспектрального 
методов анализа, измерением характеристик, зависящих 
от концентрации (микротвердости, внутреннего трения) или определением 
относительной концентрации с помощью радиоактивных 
изотопов. Например, когда твердость изменяется пропорционально 
концентрации, справедливо соотношение 

 
 
исх

0
исх
0

,
х
Н
Н
С
С
Н
Н









 
   (2.5) 

Рис.  2.2. Распределение концентрации насыщающего элемента в диффузионной 
зоне при постоянной концентрации С0 его на поверхности в разные 
моменты времени