Материаловедение и термическая обработка

№ 752 
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 
Кафедра металловедения и физики прочности
 
С.А. Никулин 
В.Ю. Турилина 
 
 
 
 
Материаловедение  
и термическая обработка 
 
Учебное пособие 
 
Издание 2-е, переработанное и дополненное 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии в качестве  
учебного пособия для студентов высших учебных  
заведений, обучающихся по направлению Металлургия 
 
Москва  2013 
1 

УДК 669.017:621.78 
 
Н65 
Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. С.В. Добаткин 
Никулин, С.А. 
Н65  
Материаловедение и термическая обработка : учеб. пособие / 
С.А. Никулин, В.Ю. Турилина. – 2-е изд., перераб. и доп. – М. : 
Изд. Дом МИСиС, 2013. – 171 с. 
ISBN 978-5-87623-688-3 
Пособие содержит материал, необходимый для самостоятельной подготовки студентов к лекциям и практическим занятиям по дисциплине «Материаловедение». Рассмотрены следующие разделы: деформация, разрушение и механические свойства; фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении; основные виды термической обработки; основные углеродистые и легированные стали, применяемые в технике. Этот материал даст студентам целостное представление о процессах, происходящих в сталях при термическом 
и деформационном воздействии, о взаимосвязи структуры и свойств, об основных принципах легирования сталей, о способах обеспечения требуемой 
структуры и комплекса свойств методами термической обработки сталей различного назначения. 
Пособие соответствует программам курсов «Материаловедение», «Материаловедение и термическая обработка металлов», «Специальные сплавы», 
«Специальные стали и сплавы» для направлений «Материаловедение и технологии материалов», «Металлургия», «Физика». 
УДК 669.017:621.78 
ISBN 978-5-87623-688-3 
© Никулин С.А.,  
Турилина В.Ю., 2013 
 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение......................................................................................................5 
1. Деформация, разрушение и механические свойства металлов ..........6 
1.1. Общие положения............................................................................6 
1.2. Упругая деформация .......................................................................7 
1.3. Пластическая деформация и деформационное упрочнение........9 
1.3.1. Пластическая деформация металлов скольжением...............9 
1.3.2. Пластическая деформация металлов двойникованием.......11 
1.3.3. Деформационное упрочнение................................................12 
1.4. Разрушение.....................................................................................15 
1.4.1. Виды разрушения металлов...................................................15 
1.4.2. Механизмы зарождения трещин ...........................................17 
1.4.3. Вязкое разрушение .................................................................19 
1.4.4. Хрупкое разрушение ..............................................................24 
1.5. Механические испытания .............................................................29 
1.5.1. Классификация механических испытаний...........................29 
1.5.2. Основные виды механических испытаний...........................31 
2. Изменение структуры и механических свойств металлов  
при деформации и последующем нагреве..............................................56 
3. Механизм и кинетика фазовых превращений в твердом  
состоянии...................................................................................................61 
3.1. Превращения в стали при нагреве................................................61 
3.2. Превращения в стали при охлаждении. Диаграмма  
изотермических превращений аустенита ...........................................67 
3.3. Термокинетические диаграммы превращений ...........................78 
4. Термическая обработка стали..............................................................81 
4.1. Классификация видов термической обработки. Общие  
положения и определения....................................................................81 
4.2. Отжиг I рода...................................................................................83 
4.2.1. Гомогенизационный (диффузионный) отжиг......................83 
4.2.2. Рекристаллизационный отжиг...............................................85 
4.2.3. Отжиг для снятия остаточных напряжений .........................86 
4.3. Отжиг II рода..................................................................................88 
4.3.1. Виды отжига II рода ...............................................................88 
4.3.2. Перегрев и пережог стали......................................................92 
4.4. Закалка стали..................................................................................95 
4.4.1. Закалка на мартенсит..............................................................95 
 
3 

4.4.2. Основные закономерности мартенситного превращения...97 
4.4.3. Выбор режима закалки...........................................................98 
4.4.4. Закаливаемость и прокаливаемость стали..........................100 
4.4.5. Способы закалки стали ........................................................103 
4.5. Отпуск стали ................................................................................106 
4.5.1. Превращения в стали при отпуске. Выбор режимов  
отпуска.............................................................................................106 
4.5.2. Вторичное твердение стали.................................................109 
4.5.3. Отпускная хрупкость............................................................110 
4.6. Старение стали.............................................................................111 
4.7. Способы поверхностного упрочнения стальных изделий.......112 
4.7.1. Химико-термическая обработка. Общие  
закономерности...............................................................................112 
4.7.2. Поверхностная закалка стали..............................................119 
5. Углеродистые и легированные стали ...............................................126 
5.1. Металлургическое качество стали (неметаллические  
включения и примеси в стали) ..........................................................126 
5.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства  
стали.....................................................................................................130 
5.3. Классификация и маркировка сталей ........................................133 
5.4. Строительные стали ....................................................................136 
5.5. Машиностроительные стали.......................................................140 
5.5.1. Углеродистые качественные стали.....................................140 
5.5.2. Улучшаемые стали ...............................................................142 
5.5.3. Цементуемые и азотируемые стали....................................145 
5.5.4. Высокопрочные стали..........................................................148 
5.5.5. Мартенситно-стареющие стали...........................................150 
5.5.6. Подшипниковые стали.........................................................151 
5.5.7. Рессорно-пружинные стали.................................................152 
5.5.8. Криогенные стали.................................................................153 
5.5.9. Износостойкие стали............................................................154 
5.6. Коррозионно-стойкие стали .......................................................156 
5.7. Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы ......................158 
5.8. Теплостойкие стали.....................................................................160 
5.9. Жаропрочные стали и сплавы ....................................................160 
5.10. Литейные стали..........................................................................162 
5.11. Инструментальные стали..........................................................164 
Библиографический список...................................................................170 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
Термическая обработка является основным и самым распространенным способом создания заданной структуры для обеспечения механических и других свойств в сталях и сплавах различного назначения. На металлургических и машиностроительных предприятиях термическую обработку применяют как промежуточную операцию для 
улучшения комплекса технологических свойств и как окончательную 
технологическую операцию для придания изделиям необходимых 
свойств с целью обеспечения их эксплуатационных характеристик.  
Для правильного выбора стали под конкретное изделие, определения 
вида и режима ее термической обработки для обеспечения требуемых 
свойств необходимы знания о процессах, происходящих в сталях при 
термической обработке, о влиянии различных факторов на структуру и 
свойства сталей, о процессах их деформации и разрушения. 
Поэтому цель этого раздела курса «Материаловедение» – дать студентам основные представления о современной теории термической 
обработки и практике ее применения, научить применять полученные 
знания при анализе формирования структуры и фазового состава в 
сталях в процессе термической и деформационной обработки, выборе 
сталей для изготовления изделий с заданными свойствами и проведении их термообработки, при проведении и анализе результатов основных механических испытаний. 
В пособии кратко изложены основные темы этого раздела курса: 
деформация, разрушение и механические свойства; фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении; основные виды термической обработки; основные углеродистые и легированные стали, 
применяемые в технике. 
Приведенный материал даст студентам целостное представление 
о процессах, происходящих в сталях при термическом и деформационном воздействии, о взаимосвязи структуры и свойств, об основных 
принципах легирования сталей, о способах получения необходимой 
структуры и комплекса свойств методами термической обработки сталей различного назначения. 
 
5 

1. ДЕФОРМАЦИЯ, РАЗРУШЕНИЕ 
И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 
1.1. Общие положения 
Механические свойства – одни из основных характеристик металлических материалов, применяемых в различных областях современной техники.  
Все механические свойства определяются процессами деформации 
и разрушения в различных условиях нагружения, как при выполнении 
технологических операций обработки при изготовлении изделий, так 
и во время эксплуатации деталей машин и конструкций. Многообразие условий эксплуатации и обработки металлических материалов 
требует проведения большого числа разных механических испытаний 
для определения характеристик механических свойств. Прежде всего, 
механические испытания позволяют оценить механическую прочность 
материалов. Обычно под механической прочностью понимают способность материала сопротивляться деформации без разрушения. Величины, характеризующие сопротивление деформации или разрушению, саму деформацию и вязкость (энергоемкость деформации и разрушения) называют механическими свойствами. 
Под действием внешних напряжений происходит деформация, во 
время которой могут изменяться форма и размеры тела. Деформация, 
исчезающая после разгрузки (снятия напряжения), называется упругой, а сохраняющаяся после прекращения действия внешних напряжений – остаточной. 
Под пластической деформацией понимают необратимые изменения формы и размеров тела, остающиеся после снятия нагрузки. 
Фундаментальными характеристиками величины деформации, которые используются в теориях упругости и пластичности, являются 
относительные удлинения e и сдвиги g: 
l
к
 
(
)
0
ln
l
=
= ∫
; 
0
l
l
l
dl
e
k
 
g = tg α, 
где l0 и lк – начальная и конечная длина образца; 
α – угол сдвига, рад. 
 
6 

Удлинение происходит под действием нормальных растягивающих 
напряжений S, а сдвиг – под действием касательных напряжений t. 
Напряжения являются удельной нагрузкой и в простейшем случае одноосного растяжения стержня определяются как отношение 
 
S = P / F, 
где S – растягивающее напряжение, МПа; 
Р – действующая нагрузка, Н; 
F – площадь сечения, перпендикулярного продольной оси стержня, вдоль которого действует нагрузка, мм2. 
Нормальным растягивающим напряжениям приписывается знак 
«+». Нормальным может быть также сжимающее напряжение, которое 
тоже обозначается S, но со знаком «–». 
Вектор касательных напряжений, в отличие от нормальных, не направлен перпендикулярно сечению, в котором они рассчитываются, а лежит в 
плоскости этого сечения. Именно под действием касательных напряжений 
происходит скольжение дислокаций, т.е. идет пластическая деформация. 
1.2. Упругая деформация 
Поведение металлов при упругой деформации описывается законом Гука, который определяет прямую пропорциональность между 
напряжением и упругой деформацией. На рис. 1.1 показаны упругие 
участки кривых напряжение – деформация при одноосном растяжении 
и кручении (сдвиге). 
 
Рис. 1.1. Участки упругой деформации на кривых 
«напряжение – деформация» при одноосном растяжении (а) 
и кручении (б) 
 
7 

Наклон каждой из этих кривых, т.е. коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение и деформацию, характеризует модули упругости: 
 
E = S / e; 
 
 
G = t / g. 
 
Модуль E, определяемый при растяжении, называется модулем 
Юнга (модуль нормальной упругости), модуль G – модулем сдвига 
(касательной упругости). Модули упругости определяют жесткость 
материала, т.е. интенсивность увеличения напряжения при упругой 
деформации. 
Механизм упругой деформации металлов заключается в обратимых 
относительно малых смещениях атомов из положения равновесия в 
кристаллической решетке. Чем больше величина смещения каждого 
атома, тем больше упругая макродеформация всего образца. Величина 
упругой деформации в металлах не может быть большой (относительное удлинение в упругой области обычно меньше 0,1 %), так как атомы в кристаллической решетке способны упруго смещаться лишь на 
небольшую долю межатомного расстояния. Физический смысл модулей упругости состоит в том, что они характеризуют сопротивляемость металлов упругой деформации, т.е. смещению атомов из положений равновесия в решетке. 
Модули упругости являются константами для каждого материала и 
относительно мало изменяются под влиянием внешних факторов. С повышением температуры от 0 К до температуры плавления модули упругости чистых металлов и большинства сплавов снижаются в 2–2,5 раза. 
Зависимость эта не линейна – темп снижения модулей по мере приближения к солидусу увеличивается. 
Модули упругости металлов – структурно малочувствительные 
свойства. Например, размер зерна в поликристалле на них почти не 
влияет, а сильная холодная деформация лишь немного (на ~1 %) снижает модули, что связано с влиянием остаточных микронапряжений, 
возникающих при наклепе. При формировании текстуры модули упругости могут существенно меняться из-за увеличивающейся анизотропности деформированного металла. 
При легировании металлов элементами, образующими твердые 
растворы, модули упругости изменяются по закону, близкому к линейному, причем могут и увеличиваться, и уменьшаться. 
 
8 

1.3. Пластическая деформация 
и деформационное упрочнение 
Пластическая деформация является результатом необратимого 
смещения атомов. В кристаллах эти смещения атомов в большинстве 
случаев происходят путем движения дислокаций, что является основным атомным механизмом пластической деформации. Движение дислокаций может вызывать макропластическую деформацию образца 
путем скольжения либо двойникования. В результате такого движения 
дислокаций происходит сдвиг одних отдельных частей кристалла относительно других (скольжение), или сдвиг и поворот атомных рядов 
в отдельных участках образца под некоторым углом к направлению 
сдвига (двойникование). 
Эти два способа формоизменения можно рассматривать как механизмы пластической деформации.  
Микро- и макрокартины пластической деформации скольжением и 
двойникованием существенно различаются и их анализируют отдельно. 
В большинстве случаев металлы и сплавы деформируются путем 
скольжения. Двойникование обычно наблюдается в металлах и сплавах с ОЦК- и ГП-решетками. 
1.3.1. Пластическая деформация 
металлов скольжением 
Классическая схема деформации скольжением при растяжении и 
системы скольжения в металлах и сплавах с разными кристаллическими решетками показаны на рис. 1.2. 
В элементарном виде механизм сдвига одной части кристалла относительно другой можно представить как результат пробега через 
него дислокации, например краевой, с длиной, равной ширине кристалла. Чем больше количество движущихся дислокаций и длиннее 
суммарный путь их перемещений, тем больше величина макропластической деформации: 
 
g = ρbl, 
где g – относительный сдвиг, характеризующий величину пластической деформации; 
ρ – плотность дислокаций; 
b – усредненный вектор Бюргерса двигающихся дислокаций; 
l – средняя длина их перемещения. 
 
9 

а 
в 
 
б 
 
Рис. 1.2. Деформация скольжением: а – схема деформации при 
растяжении; б – полосы скольжения в деформированном Al; 
в – плоскости и направления скольжения: вверху – решетка 
ГЦК (γ-Fe, Cu, Al, Ni); плоскости скольжения – {111}; направления 
скольжения – <110>; внизу – решетка ОЦК (α-Fe, Cr, W); плоскости 
скольжения – {110}, {112}, {123}; направления скольжения – <111> 
В реальных металлах и сплавах еще до начала деформации имеется 
много дислокаций разных типов. Плотность дислокаций в отожженных металлах и сплавах ρ = 106…108 см–2.Под действием приложенных напряжений начинают работать различные их источники, порождающие новые дислокации. Движущиеся дислокации могут выходить 
на поверхность образца и могут взаимодействовать внутри него друг 
с другом: вступают в реакции, тормозятся, аннигилируют, образуют 
сплетения и т.д. Реальная картина пластической деформации металлических материалов определяется структурой, составом материала и условиями его деформации. 
Линии скольжения (см. рис. 1.2) – это ступеньки, образующиеся на 
поверхности в результате выхода дислокаций. Анализируя расположение линий скольжения, расстояние между ними, их высоту, можно 
составить не только качественное, но и количественное представление 
 
10