МИНОБРНАУКИ РОССИИ

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

А. П. МАРТЫНОВ А. В. ВАВИЛОВ Д. Б. ЛОПУХ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕРМООБРАБОТКИ

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2018

1

УДК 620.18 ББК 34.2 М29

Мартынов А. П., Вавилов А. В., Лопух Д. Б.

М29 Физико-химические основы термобработки: учебное пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2018. 37 с.

ISBN 978-5-7629-2331-6

Посвящено части лекционного материала по курсу «Физико-химические основы термообработки», содержит основную информацию по металловедению. В учебное пособие включены разделы атомно-кристаллической структуры металлов, железа и его сплавов на основе фазовой диаграммы состояния Fe–Fe3C, рассматриваются вопросы как теории, так и практики.

Предназначено для подготовки бакалавров и магистров по направлениям 13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», также может быть полезно инженерно-техническим работникам и студентам других специальностей.

УДК 620.18 ББК 34.2

Рецензенты: начальник отдела исследований тяжелых аварий, канд. хим. наук В. И. Альмяшев (ФГУП «НИТИ им. А. П. Александрова»); кафедра электротехники и электроэнергетики ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (д-р техн. наук, зав. кафедрой В. Я. Фролов).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Курс лекций по дисциплине «Физико-химические основы термообработки» основан на двух курсах – «Металловедение» и «Электротермические процессы».

Материаловедение – наука, изучающая связи между составом, структурой и свойствами материалов, а также закономерности их изменения при внешних воздействиях: тепловых, химических, электромагнитных, радиоактивных, механических.

Термообработка – одна из форм внешних воздействий на материалы. Она заключается в нагреве и охлаждении последних до некоторых температур с разными скоростями. При этом должно происходить изменение или состава, или структуры, или и того и другого вместе. Если изменений нет, то названные процедуры с изменением температуры – это лишь теплообмен (теплопередача), которым занимается термия.

Нагрев и охлаждение чего-либо как технологические операции сложны и требуют особого оборудования и умения. Наша наука – физическая химия веществ и материалов, основное место в которой занимает металловедение. Физическая химия вступает в свои права, если есть изменения химического состава либо структуры вещества или материала.

Металловедением называется наука, изучающая зависимость между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов, а также закономерности их изменения при внешних воздействиях (тепловых, химических, механических, электромагнитных, радиоактивных).

Из всех известных в настоящее время элементов таблицы Менделеева более половины являются металлами. Металлы в твердом и частично в жидком состояниях имеют высокую тепло- и электропроводность, положительный ТКρ (температурный коэффициент удельного сопротивления), большинство из них обладает сверхпроводимостью (при температурах, близких к 0 °К электросопротивление падает скачком до очень малых значений). Все металлы обладают термоэлектронной эмиссией, хорошей отражательной способностью, склонны к пластическим деформациям, непрозрачны и имеют металлический блеск.

Металлы и их сплавы– тела кристаллические. Атомы (ионы) расположены в них закономерно ипериодически в отличие от аморфных тел. В основном металлические слитки представляют собой поликристаллические тела, состоящие

4

из большого количества мелких (10–1…10–4 см) разноориентированных кристаллов. Эти частицы имеют неправильную форму и, в отличие от кристаллов правильной формы,называются кристаллитами, или зернами металла.

Металл, содержащий менее 0,01 % примесей, будем называть «чистым металлом». Чистые металлы обладают низкой прочностью и в ряде случаев не обеспечивают многих других технологических свойств, поэтому в технике их применяют редко, а наиболее широко используют сплавы.

Сплавы получают сплавлением либо спеканием двух или более металлов,

либо металлов с неметаллами. Они обладают свойствами, присущими металлам. Вещества, образующие сплав, называют компонентами.

Вдальнейшемпотребуются некоторыепонятия,которыенужно определить.

•Система – тело или группа тел (металл или сплав), обособленных от окружающей среды и находящихся во взаимосвязи.

•Гомогенной называется система, внутри которой нет частей, обладающих различными свойствами.

•Гетерогенной называется система, внутри которой имеются разнородные части.

•Фазой называется гомогенная часть гетерогенной системы.

•Компонентами называются составные части системы, которые могут существовать изолированно и наименьшее число которых достаточно для образования любой фазы системы.

•Структурой системы называют ее строение.

Состояние системы обычно описывают характеристиками, поддающимися изменению при воздействии на систему извне. Эти величины называют параметрами системы. К ним относятся V, T, P, соотношения компонентов, т. е. их концентрация С.

При рассмотрении металлических систем различают макроструктуру, т. е. строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или видимое при увеличении не более, чем в 50 раз, и микроструктуру, т. е. строение, наблюдаемое при увеличении более, чем в 50 раз. Макроструктура дает представление о форме, размерах и взаимном расположении кристаллитов – зерен металла, микроструктура дает представление о взаиморасположении фаз. Атомно-кристаллическая структура – это взаимное расположение атомов в решетке кристалла.

Весьма важно, что между микроструктурой и многими свойствами металлов и сплавов существует качественная зависимость.

5

Одной из главных задач металловедения является определение связи между структурой и свойствами металлических сплавов.

Впервые эту связь в 1831 г. в г. Златоусте на Урале установил Павел Петрович Аносов – крупнейший русский металлург, технолог, металловед, раскрывший тайну булата и впервые применивший микроскоп для исследования металла. Лишь в 1863 г. в Англии ГенриСорби повторил методы Аносова.

Далее представлены другие выдающиеся ученые, которые занимались вопросами металловедения:

–Михаил Васильевич Ломоносов «Первые основания металлургии или рудных дел». 1763 г., тираж 1225 экз.;

–Павел Петрович Аносов (1797–1851) «О булатах», 1841 г.;

–Дмитрий Константинович Чернов (1839–1921);

–Николай Иванович Беляев (1877–1920) – ученик Д. К. Чернова, металловед и термист. Руководил постройкой первого завода по производству качественных сталей «Электросталь» (1500 марок сталей);

–Михаил Константинович Курако (1872–1920) – доменщик;

–Николай Семенович Курнаков (1860–1941). Физико-химический анализ и диаграммы «Введение в физико-химический анализ» (1925). Организовал Институт общей и неорганической химии (ИОНХ);

–Александр Александрович Байков (1870–1946) – металлург, металловед, огнеупорщик, силикатчик (цементы и бетоны). С 1925 г. – ректор Ленинградского политехнического института, председатель технического совета по строительству Магнитогорского и Кузнецкого металлургических заводов;

–Иван Павлович Бардин (1883–1960) – металлург, работал на заводе «Серп и молот». Внедрял широкое применение кислорода в доменном и сталеплавильном производстве. Герой Социалистического труда, удостоен 7 орденов Ленина. С 1942 г. вице-президент АН СССР. Разработал процесс непрерывной разливки стали;

–Николай Прокопьевич Чижевский (1872–1952) – химик, художник, металлург. Создатель первой высокочастотной воздушной печи, технологии прямого восстановления железа.

Однако основы научного металловедения были заложены русским металлургом Д. К. Черновым, который в 1868 г. показал, что значительное изменение свойств стали происходит при структурных (фазовых) превращениях, при вполне определенных температурах, которые позже получат название критических точек. В 1878 г. Чернов изложил основы современной теории

6

кристаллизации металлов. Эти и другие его работы составили фундамент современного металловедения и термообработки стали.

Продолжением работ Д. К. Чернова были исследования большой группы ученых: Н. П. Чижевского, А. А. Байкова (Россия), Ф. Осмонда и Ж. Пруста (Франция), У. Аустена и Г. Сорби (Англия), К. Ледебура и П. Мартена (Германия), А. Видманштеттена (Австрия). Эти имена были увековечены наукой

вназваниях фаз и структур стали, о которых будет рассказано далее.

Вначале ХХ в. большую роль в развитии металловедения сыграли работы Н. С. Курнакова, который применил для исследования металлов методы физико-химического анализа.

Широкое использование рентгеноструктурного анализа позволило определить кристаллическое строение металлов и сплавов, влияние условий термообработки на атомное строение структур. Эти важные исследование были выполнены М.Лауэ и П. Дебаем (Германия),Г. В.Вульфом (СССР),У.Брэггом(Англия).

Начиная с 1930 г. стало уделяться внимание кинетике фазовых превращений, т. е. процессу их протекания. Это дало возможность установить как сам механизм превращений в металлах, так и пути влияния на него. На рисунке показаны конденсированное и газообразное состояния вещества.

В последние годы созданы новые виды термической и химикотермической обработки традиционных сталей, а также новые сорта специальных сталей. В мире разработано более 1000 марок различных по составу и назначению сталей. Из русских ученых-современников следует назвать имена Г. В. Курдюмова, А. А. Бочвара, Н. А. Минкевича, А. П. Гуляева. В 1986 г.

7