Основы технологического процесса термической обработки металлов и сплавов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
И. В. Лапин 
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО 
ПРОЦЕССА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Учебное пособие 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2024 

УДК 621.78(075) 
ББК 34.65я7   
Л24 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Ф. М. Галимов 
д-р техн. наук, проф. Т. А. Ильинкова 
Л24 
Лапин И. В. 
Основы технологического процесса термической обработки металлов 
и сплавов : учебное пособие / И. В. Лапин; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2024. – 84 с. 
ISBN 978-5-7882-3473-1 
Рассмотрены основы технологического процесса термической обработки металлов и сплавов, описаны способы термической обработки черных металлов 
и сплавов, а также влияние легирующих элементов на их термическую обработку. 
Предназначено для бакалавров и магистров, изучающих дисциплину «Материаловедение» в качестве специальной дисциплины либо как общеобразовательный инженерно-технический курс. 
Подготовлено на кафедре технологии конструкционных материалов. 
УДК 621.78(075) 
ББК 34.65я7 
ISBN 978-5-7882-3473-1 
© Лапин И. В., 2024 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2024 
2

О ГЛ А В Л Е Н И Е 
Введение 
......................................................................................................................... 5 
1. ОСНОВЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ............ 7 
1.1. Выбор термической обработки 
.......................................................................... 7 
1.2. Этапы термообработки 
....................................................................................... 8 
1.3. Нагрев 
................................................................................................................... 9 
1.4. Скорость нагрева 
............................................................................................... 11 
1.5. Температура нагрева 
......................................................................................... 13 
1.6. Выдержка ........................................................................................................... 15 
1.7. Скорость охлаждения ....................................................................................... 18 
1.8. Термическая обработка стали 
.......................................................................... 20 
1.9. Получение однородного аустенита 
................................................................. 27 
1.10. Влияние избыточного нагрева после гомогенизации ................................. 28 
1.11. Общие процессы термообработки................................................................. 30 
1.12. Параметры процесса термообработки .......................................................... 33 
1.13. Аустенизация 
................................................................................................... 35 
1.14. Влияние термической обработки на свойства деталей машин .................. 37 
2. ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ......................................................... 39 
2.1. Цементация ........................................................................................................ 39 
2.2. Азотирование 
..................................................................................................... 42 
2.3. Нитроцементация и цианирование ................................................................. 45 
2.4. Алитирование .................................................................................................... 46 
2.5. Диффузионное хромирование ......................................................................... 47 
2.6. Борирование....................................................................................................... 49 
2.7. Сульфоцианирование ....................................................................................... 50 
2.8. Силицирование 
.................................................................................................. 51 
2.9. Титанирование 
................................................................................................... 52 
3 

3. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ТЕРМООБРАБОТКУ ..... 54 
3.1. Основы процесса легирования металлов 
........................................................ 54 
3.2. Классификация легирующих элементов ........................................................ 55 
3.3. Влияние легирующих элементов .................................................................... 57 
3.4. Влияние отдельных легирующих элементов в обобщенном виде .............. 61 
3.5. Влияние легирующих элементов  на кривые ВТП и ВПО ........................... 64 
3.6. Влияние легирующих элементов на строение и свойства стали ................. 76 
3.7. Пороки структуры стали .................................................................................. 79 
Заключение ................................................................................................................ 81 
Список рекомендуемой литературы.......................................................................... 82 
4 

В В Е Д Е Н И Е 
Термическая обработка – это процесс нагрева и охлаждения материала для достижения им желаемого набора физико-механических 
свойств. Свойства материалов зависят от их структурных особенностей. Структуры могут быть разного масштаба, а именно макро-, микро- 
и наноструктура, кристаллическая структура или атомная структура. 
В целом, термическая обработка металлов и сплавов касается изменения микроструктуры. 
Планируемая термическая обработка может влиять на желаемые 
изменения дефектной структуры металлических кристаллов, что, 
в свою очередь, изменяет механические свойства металлов и сплавов. 
В процессе термической обработки металлы и сплавы могут претерпевать изменения кристаллической структуры (полиморфное превращение), химического состава и степени упорядоченности. В зависимости 
от системы эти изменения могут происходить как по отдельности, так 
и в комбинации и имеют прямое влияние на конечные свойства материала. Также очевидно, что без каких-либо из трех вышеуказанных изменений в результате термообработки можно получить желаемый результат свойств материалов путем изменения их субструктуры.  
Термическая обработка металлов и сплавов предусматривает: 
– полиморфное превращение в системе с изменением локального
состава или без него. Однако средний состав остается прежним. Этот 
тип изменений очень распространен, и система Fe–C является классическим примером; 
– общее изменение химического состава на поверхности компонента с последующим полиморфным превращением. Этот тип изменений реализуется при поверхностном упрочнении металлов и сплавов; 
– изменение местного состава в очень мелком масштабе. Примером такой ситуации является возрастное упрочнение сплава; 
– растворение нежелательных частиц второй фазы и образование
чистого однофазного сплава; 
– измельчение зерна чистого металла или однофазного сплава,
предварительно подвергнутого механической обработке при низкой 
температуре.  
Следует понимать, что указанные изменения вызваны ранее выбранной термической обработкой с целью достижения заранее 
5 

определенного набора свойств. Таким образом, цели проведения термической обработки металлов и сплавов: 
– улучшение прочностных, твердотельных и износостойких
свойств; 
– повышение прочности и пластичности;
– получение мелкозернистого зерна;
– снятие внутренних напряжений, вызванных дифференциальной
деформацией при холодной обработке, неравномерном охлаждении от 
высоких температур при литье и сварке; 
– улучшение обрабатываемости;
– улучшение режущих свойств инструментальных сталей;
– улучшение свойств поверхности материалов, особенно в отношении износостойкости и коррозионной стойкости; 
– улучшение физических свойств, т. е. электрических и магнитных; 
– создание других уникальных функциональных возможностей
материала, которые возможны благодаря специфическому фазовому 
превращению, к примеру пластичности, вызванной трансформацией, 
эффекта метамагнитной памяти формы и т. д. 
6 

.  О С Н О В Ы  Т Е Р М И Ч Е С КО Й  О Б РА Б ОТ К И  
М Е ТАЛ Л О В  И  С П Л А В О В  
1 . 1 .  В ы б о р  т е р м и ч е с к о й  о б р а б о т к и  
Исходя из требований, предъявляемых к стали, можно применять 
ту или иную операцию термической обработки (отжиг, нормализация 
или закалка). Однако при одной и той же операции термической обработки, изменяя параметры ее, т. е. температуру нагрева, выдержку 
и скорость охлаждения, можно получить свойства в достаточно широких пределах для одной и той же стали. 
Температура нагрева под закалку определяется критическими 
точками А1 и А3. В зависимости от выбранной температуры можно получить и различные свойства. С повышением температуры закалки 
ударная 
вязкость 
после 
отпуска 
понижается 
соответственно 
на 350 и 600 °С. Повышение температуры закалки иногда приводит 
к снижению критической скорости закалки. Это значит, что для достижения одинакового закаливающего действия в случае более высоких 
температур закалки можно применять более мягкое охлаждение. 
Для увеличения прокаливаемости в практике термической обработки иногда повышают температуру закалки или увеличивают время 
выдержки. Однако это можно использовать только в том случае, когда 
не наступает сильного укрупнения зерна или увеличения количества 
остаточного аустенита. 
Прокаливаемость – глубина проникновения закаленной зоны 
(расстояние от поверхностного слоя с мартенситной структурой до слоя 
с полумартенситной структурой, т. е. 50 % мартенсита и 50 % продуктов распада аустенита). Полумартенситную зону можно определить по 
микроструктуре и твердости. Твердость полумартенситной зоны зависит в основном от содержания углерода. 
При сквозной закалке свойства по сечению закаленной стали однородны, при несквозной закалке свойства меняются в направлении от 
поверхности к центру. Отпуск несколько выравнивает свойства по сечению. Однако у слабопрокаливающейся стали на поверхности, где после закалки был мартенсит, будет зернистая структура, а в центре, где 
7 

был перлит, сохранится пластинчатая структура. Поэтому различаться 
на поверхности и в центре будут только те свойства, которые зависят 
от формы структурных составляющих, в частности от формы цементита (предел текучести, сопротивление удару). Твердость, предел прочности, относительное удлинение будут на одном уровне. 
Большое значение при формировании свойств имеют скорости 
нагрева и скорости охлаждения при термической обработке. 
1 . 2 .  Э т а п ы  т е р м о о б р а б о т к и  
Процесс термической обработки металлов осуществляется в три 
этапа: 
1. Нагрев до высокой температуры для получения однородной 
фазы. В системе многофазного сплава однородная фаза может быть получена при высоких температурах только с особой осторожностью. 
2. Выдержка при высокой температуре в течение заранее выбранного периода времени. 
3. Охлаждение обрабатываемого объекта до комнатной температуры или ниже. 
 
Рис. 1.1. Термическая обработка проката стали 
8 

Далее может потребоваться повторить те же три этапа с разными 
параметрами процесса, но при этом необходимо знать, как выбрать температуру нагрева. Не менее важно иметь знания о критериях выбора 
скорости нагрева для достижения заданной температуры и продолжительности времени выдержки при заданной температуре нагрева. 
Во время операции охлаждения также требуется знание требуемой скорости охлаждения. Если скорость охлаждения очень низкая, можно достичь равновесной микроструктуры в соответствии с фазовой диаграммой рассматриваемой системы. Следует помнить, что достижение равновесия при охлаждении многокомпонентной системы, претерпевающей фазовые превращения, возможно только в том случае, если используется бесконечно малая скорость охлаждения. Обеспечить такую медленную скорость охлаждения на практике очень сложно, хотя в сегодняшнем технологическом процессе это возможно. Практика термообработки при такой минимально возможной скорости охлаждения с целью достижения равновесной микроструктуры называется отжигом. 
Если железоуглеродистый сплав содержит в своем составе равновесные фазы, то согласно микроструктуре сплав достигает самого мягкого состояния. Поэтому отжиг железоуглеродистого сплава нередко 
рассматривают как процесс разупрочнения, тогда как все остальные 
процессы, приводящие к отклонению от равновесной структуры, 
можно рассматривать как процесс упрочнения.  
Однако такое поведение не является характерным и не подтверждено во многих системах сплавов, где неравновесная фаза мягче, чем ее 
равновесный аналог. Одним из таких примеров является сплав Cu–Zn–Al, 
который при быстром охлаждении (от высокой температуры) образует 
более мягкую фазу, чем та, которая образуется в отожженном состоянии. 
1 . 3 .  Н а г р е в  
Одной из основных целей стадии нагрева является получение однородной фазы, если иное не обусловлено принуждением. Например, 
заэвтектоидные стали нагревают до двухфазной области для получения 
определенных свойств. Еще одной целью нагрева является достижение 
температуры, равномерно распределенной по всему поперечному сечению термообрабатываемого объекта. Быстрый нагрев может привести 
9