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 термической и химико-термической  обработки углеродистых и легированных сталей различного функционального назначения,  влияние  
технологических параметров на структуру и свойства материалов, 
оптимальные режимы процессов. 
Для студентов третьего курса МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по направлению подготовки «Материаловедение и технологии 
материалов» (квалификация — бакалавр). 
Рекомендовано 
Учебно-методической 
комиссией 
Научноучебного 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 обработки 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 микроструктуры и улучшения технологических свойств (обрабатываемости 
давлением, резанием) и как окончательную операцию для получения 
требуемых эксплуатационных свойств изделия. 
Термическая обработка включает три основные технологические операции: нагрев с определенной интенсивностью до заданной температуры; изотермическую выдержку для прогрева изделия и обеспечения полноты протекания структурных превращений; охлаждение с определенной скоростью. В зависимости от 
температуры нагрева и скорости охлаждения термическую обработку сталей подразделяют на отжиг, нормализацию, закалку и 
отпуск. Горячекатаные полуфабрикаты, поковки, штамповые заготовки и стальные отливки подвергают отжигу или нормализации, 
которые являются, как правило, видами промежуточной термической обработки. Типичная окончательная термическая упрочняющая обработка сталей состоит из закалки и последующего отпуска.  
Свойства стали после термической обработки определяются характером превращения переохлажденного аустенита. При небольших 
скоростях охлаждения (100…200 °С/ч) аустенит претерпевает диффузионное превращение в интервале температур 700…550 °С с образованием 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 дисперсности полученную структуру называют перлитом (НВ 180…220), 
сорбитом (НВ 250…350) или трооститом (НВ 400…500). 
При увеличении скорости охлаждения аустенит переохлаждается до низких температур, при которых диффузионные процессы 
становятся невозможными, и полиморфное γ  -превращение 
происходит по сдвиговому механизму. Углерод при этом не успевает выделиться из раствора в виде карбидов, и образуется мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. 
Мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную решетку, степень тетрагональности которой увеличивается с ростом 
концентрации углерода. Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур Мн — Мк, который зависит от содержания 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 возможность превращения аустенита в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения. Значение критической скорости 
охлаждения зависит от химического состава аустенита, в углеродистых сталях она велика и превышает 300 °С/с.  
Свойства мартенсита зависят от растворенного в нем углерода 
(рис. 1.2). Образование пересыщенного твердого раствора, атмосфер Котрелла, а также высокая плотность дислокаций обусловливают высокую твердость мартенсита. Хрупкость мартенсита связана 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 промежуточное бейнитное превращение, при котором диффузионное перемещение атомов железа полностью подавлено, и γ→α-превращение 
происходит сдвиговым путем, а активная диффузия атомов углерода делает возможным выделение карбидов. В результате промежуточного превращения образуется бейнит, смесь α-раствора на 
основе железа и карбида.  
Превращения переохлажденного аустенита лежат в основе термической 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 медленном охлаждении для получения более равновесной структуры.  
Отжиг первого рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, возникшие при предыдущей 
обработке (литье, прокатке, сварке) за счет самопроизвольно протекающих процессов гомогенизации, рекристаллизации, уменьшения остаточных напряжений. Указанные процессы определяют 
название отжига и не связаны с фазовым   -превращением, поэтому 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 превращениях, поэтому главными процессами при отжиге сталей являются 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 пороков структуры (крупнозернистости, видманштеттовой структуры) 
и уменьшения остаточных напряжений. Полная фазовая перекристаллизация 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 небольшой степени переохлаждения и формированию равномерной 
и мелкой структуры, состоящей из феррита и перлита. При неполном отжиге доэвтектоидных сталей с нагревом на 30…50 °С выше 
температуры Ас1 происходит лишь частичная перекристаллизация 
вследствие перехода перлита в аустенит, что улучшает обрабатываемость резанием в результате снижения твердости.  
Заэвтектоидные стали не подвергают полному отжигу с нагревом выше 
,
cm
А
 так как при медленном охлаждении из аустенитной области цементит располагается в виде сетки по границам зерен перлита, что ухудшает механические и технологические свойства. 
Для заэвтектоидных сталей широко применяют сфероидизирующий отжиг с целью получения структуры зернистого перлита, 

состоящего из феррита и цементита, имеющего сфероидальную 
форму. Для получения структуры зернистого перлита сталь длительно 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 кристаллизации для цементита, выделяющегося при последующем 
охлаждении. Сфероидизирующий отжиг приводит к уменьшению 
твердости и улучшению обрабатываемости резанием высокоуглеродистых инструментальных сталей, а также является обязательной операцией перед упрочняющей термообработкой. 
Нормализацией называют термическую обработку, при которой 
сталь нагревают на 30…50 °С выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе, что приводит к распаду аустенита на тонкую ферритоцементитную смесь. Ускоренное по сравнению с отжигом 
охлаждение на воздухе и распад аустенита при более низких температурах повышают прочность и твердость нормализованной средне- 
и высокоуглеродистой стали. Назначение нормализации различно  
в зависимости от состава стали. К низкоуглеродистым сталям нормализацию применяют вместо отжига для улучшения обрабатываемости резанием, устранения пороков структуры, измельчения структуры перед закалкой. Кроме того, нормализация по сравнению с отжигом — более экономичная операция. Нормализацию заэвтектоидных сталей применяют для устранения цементитной сетки. При 
нагреве выше точки 
cm
А
 вторичный цементит растворяется, а при 
последующем ускоренном охлаждении на воздухе не успевает образовываться.  
Закалка — термическая обработка, в результате которой в сталях образуется неравновесная мартенситная структура. Цель закалки — получение высокой твердости и износостойкости. 
 Для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку с нагревом в однофазную аустенитную область: оптимальная температура 
закалки на 30…50 °С выше точки Ас3. При более высоких температурах закалки может сильно вырасти зерно аустенита, в пределах которого образуются более крупные кристаллы мартенсита, и механические свойства ухудшатся. Неполная закалка от температур в интервале 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