книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

и. и. новиков

t

ТЕОРИЯ

ТЕРМИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКИ

МЕТАЛЛОВ

Допущено Министерством высшего и сред­ него специального образования СССР в ка­ честве учебника для студентов вузов, обу­ чающихся по специальности «Металловеде­ ние, оборудование и технология термичес­

кой обработки металлов».

Москва <гМеталлургия» 1974

^ V ' / Л 3 7 ^

ных металлов и сплавов. Проанализированы изменения структуры и свойств при закалке, отпуске, старении, отжиге с фазовой перек­ ристаллизацией, рекристаллизационном и дорекристаллизационном отжиге, гомогенизации, отжиге для уменьшения напряжений, хими­ ко-термической, термомеханической и других разновидностях термо­ обработки.

Учебник рассчитан на студентов, специализирующихся по ме­

листам по обработке металлов давлением. Ил. 226. Табл. 17. Список лит: 41 назв.

© Издательство «Металлургия», 1974

040(01) 74

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга написана по программе курса «Теория термической об­ работки», который автор читает ,в Московском институте стали и сплавов студентам, специализирующимся по металловедению цвет­ ных и редких металлов.

Теория термической обработки является центральной учебной дисциплиной в подготовке металловедов и термистов. Перед ее изу­ чением студент должен освоить физическую химию, кристаллогра­ фию, металлографию, учение о дефектах кристаллической решет­ ки, изучить механические свойства и методы испытания металлов. В свою очередь теория термической обработки является базой для изучения технологии термической обработки и таких профилиру­ ющих спецкурсов металловедения, как «Легированные стали» и «Сплавы цветных и редких металлов».

В последние 10—il5 лет теория термической обработки разви­ валась очень быстрыми темпами. Для ее развития наиболее ха­ рактерно все большее использование научных представлений и экспериментальных методов физики металлов, в особенности уче­ ния о дефектах кристаллической решетки, с целью более глубокого понимания природы, механизма и кинетики структурных измене­ ний и закономерностей изменения свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии. В результате весьма подробно изучены про­ цессы термообработки давно используемых и новых металличе­ ских материалов.

В одном учебнике уже невозможно изложить и общую теорию термической обработки, и особенности термообработки отдельных групп сплавав. Поэтому в отличие от первого издания книги1 пришлось отказаться от рассмотрения особенностей термообра­ ботки легированных сталей, алюминиевых, титановых и медных сплавов. Соответствующие вопросы должны излагаться, как это и принято теперь в большинстве вузов, в специальных курсах.

Содержание книги составляет анализ изменений структуры и свойств, вызываемых тепловым воздействием на металл. При этом большее внимание уделено таким структурным изменениям, как рекристаллизация, мартенситное превращение, распад твердого раствора, гомогенизация и др., которые особенно часто встречают­ ся при термообработке разных групп металлических материалов.

Книга построена в соответствии с известной классификацией видов термообработки акад. А. А. Бочвара и рекомендациями по классификации и терминологии термической обработки Комиссии по стандартизации СЭВа.

1 Н о в и к о в И. И., З а х а р о в М. В. Термическая обработка металлов и сплавов. М., Металлургиздат, 1962.

5

ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изме­ нения их структуры и свойств в заданном направлении.

Это воздействие может сочетаться также с химическим, дефор­

На металлургических и машиностроительных заводах термическая

нием, резанием и др.), и как окончательную операцию для прида­ ния металлу или сплаву такого комплекса механических, физиче­ ских и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обрабо­ танных деталей.

Теория термической обработки является частью металловеде­ ния. Главное в металловедении — это учение о связи между стро­ ением и технически важными свойствами металлов и сплавов. При нагреве и охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливает изменение механических, физиче­ ских и химических свойств и влияет на его поведение при обработ­ ке и эксплуатации.

Теорию термической обработки составляет учение об измене­ ниях строения и свойств металлов или сплавов при тепловом воз­ действии, не исчезающих после его прекращения.

По глубине и разнообразию структурных изменений, возника­ ющих в результате термообработки, с ней не могут сравниться ни механические, ни какие-либо другие воздействия на металлы.

Краткий исторический очерк

Человек использует термообработку с древнейших времен. Ана­ лиз археологических находок позволяет сделать заключение о времени появления и характере первых операций термообработки.

В переходный период от каменного века к бронзовому (в эпоху энеолита) появились первые металлические изделия, которые бы­ ли получены ковкой с помощью каменного молота вначале само­ родных золота и меди, а затем и меди, выплавленной из руды.

Применяя холодную ковку, первобытный человек столкнулся с явлением наклепа, которое затрудняло изготовление изделий с

7

тонкими лезвиями и острыми наконечниками, и для восстановле­ ния пластичности кузнец должен был нагревать холоднокованую медь ,в очаге. Наиболее ранние надежные свидетельства о приме­ нении такого рекристаллизационного отжига приходятся на конец V тысячелетия до н. э. Они получены при исследовании кованых изделий (например, ножей) из выплавленной меди, относящихся к южнотуркменской энеолитической культуре. Без промежуточно­ го рекристаллизационного отжига для восстановления пластично­ сти нельзя было обойтись и при изготовлении методом ковки тон­ ких медных, а позднее и бронзовых листов. Эти листы шли на вы­ делку посуды, производившейся в значительных количествах во II тысячелетии до н. э. (в бронзовом веке).

Таким образом, рекристаллизационный отжиг по времени по­ явления был первой операцией термической обработки металла и использовался уже начиная с V тысячелетия до н. э.

Закалка появилась значительно позднее отжига. Металлурги­ ческое производство железа началось с конца II тысячелетия до н. э. Железо получали тогда сыродутым способом непосредствен­ но из железной руды. Из-за низкого содержания углерода оружие из такого железа нельзя было упрочнить закалкой. В ранний пе­ риод применения железа закалку проводили одновременно с це­ ментацией. Нагревая заготовку для горячей ковки в древесноугольном горне, т. е. проводя науглероживание, и затем охлаждая ее в воде, кузнец столкнулся с резким улучшением качества ору­ жия и орудий труда, сделанных из железа.

Открытие сыродутого способа производства железа с последу­ ющей его цементацией и закалкой было одним из величайших до­ стижений в истории человеческого общества.

Металлографическое изучение галынтатской кузнечной техни­

эти виды упрочняющей термической обработки использовались в то время сравнительно редко.

В дневней Греции и Риме упрочняющая термообработка стали была хорошо известна, что подтверждается упоминаниями о за­ калке у античных авторов. В «Одиссее» Гомера (VIII—VII вв. до н. э.), в девятой пеоне есть такие строки: «Как погружает кузнец раскаленный топор иль секиру в воду холодную, и зашипит с кло­ котаньем железо — крепче железо бывает, в огне и воде закаля­ ясь» (перевод П. А. Шуйского). Аристотель (IV в. до н. э.) отме­ чал, что лучшую сталь получают нагревом железа в горне по не­ скольку раз. Такая обработка приводила к науглероживанию же­ леза и обеспечивала после закалки высокую прочность и твер­ дость изделий. Аристотель упоминал о закалке стали в масле. Плиний Старший (I в.) писал, что тонкие стальные изделия во из­ бежание их коробления и растрескивания закаливают в масле.

Металлографический анализ европейских археолопических на­ ходок показывает, что сталь (науглероженное железо) и закал­

8

ка стальных изделий во всеобщее употребление вошли с V—IV вв.

эти изделия закаливали на мартенсит в воде скорее всего с целью улучшения зеркального блеска при полировке.

В средние века применяли самые разнообразные технологиче­ ские операции: закалку в жидкости, закалку в воздушной струе, местную закалку лезвий, низкий, средний и высокий отпуск, це­ ментацию, защиту стали от обезуглероживания при нагреве, рекристаллизационный отжиг и др.

■Микроструктурное изучение, рентгеновский анализ и измере­ ние микротвердости многих сотен древнерусских археологических находок из слоев X—XV вв. показали, что 9/ю исследованных стальных орудий труда и оружия находилось в термически об­ работанном состоянии, из них одна треть была закалена, а ос­ тальные закалены и отпущены. Цементацию в древесном угле или органическом веществе применяли к ножам, мечам, копьям, на­ пильникам, резцам и другим инструментам.

Искусство термообработки режущего и колющего оружйя бы­ ло высоко развито в средние века. Например, знаменитые клинки из булатной (дамасской) стали обладали прекрасными режущи­ ми и упругими свойствами благодаря сочетанию тонко разрабо­ танных способов плавки, ковки и термообработки.

Не зная сущности внутренних превращений в металле, средне­ вековые мастера приписывали получение высоких свойств при тер­ мообработке проявлению сверхъестественных сил. Способы термо­ обработки стали, особенно холодного оружия, детально описаны в средневековой литературе. Если из средневековых рецептов тер­ мообработки выбросить некоторые подробности и заклинания, то большая часть этих рецептов окажется оправданной с точки зре­ ния современного термиста.

Термообработку использовали с древнейших времен как тех­ нологическую операцию, но развитие ее как науки стало возмож­ ным только с середины XIX столетия. До этого времени знания человека о термообработке представляли совокупность рецептов, выработанных на основе многовекового опыта. Эти рецепты, ча­ сто весьма ценные, передавали из поколения в поколение, секре­ ты выполнения отдельных операций иногда терялись в веках и вновь познавались, но истинная природа процессов, происходя­ щих в металле при термообработке, оставалась загадкой.

Развитие техники в XIX в. потребовало превращения термооб­ работки из искусства в науку.

В середине XIX столетия армия и флот стремились заменить бронзовые и чугунные пушки более прочными, а следовательно, и более мощными стальными орудиями. Начало широкого произ­ водства артиллерийских орудий из стали относится к 50-м годам

9