Термическая обработка (ТО) — это фундаментальный технологический процесс, который, будучи примененным к эвтектоидной углеродистой стали (например, У8 или У10), способен повысить ее твердость с исходных $\sim 180 \text{ НВ}$ до $\sim 650 \text{ НВ}$ в закаленном состоянии. Это увеличение, превышающее 3,5 раза, наглядно демонстрирует критическую роль ТО в формировании эксплуатационных свойств металлов и сплавов, позволяя многократно увеличить ресурс службы конечного изделия.
Введение: Цели, сущность и фундаментальные принципы термической обработки
Термическая обработка (ТО) представляет собой краеугольный камень в технологии производства и обработки металлических изделий, особенно сталей. Ее сущность заключается в строго контролируемой совокупности операций: нагрев до заданной температуры, выдержка при этой температуре и последующее регулируемое охлаждение. Все эти процессы проводятся в твердом состоянии, и их единственная цель — целенаправленное изменение внутреннего строения, микроструктуры и, как следствие, комплекса физико-механических свойств сплава.
Основные цели термической обработки охватывают широкий спектр задач, критически важных для машиностроения и других отраслей:
- Повышение прочности и твердости (достигается закалкой).
- Снижение внутренних напряжений и устранение структурных дефектов, возникших, например, после литья или холодной деформации.
- Улучшение обрабатываемости давлением или резанием (достигается отжигом для получения мягкой структуры).
- Повышение пластичности и вязкости (достигается отпуском после закалки).
- Обеспечение заданного комплекса эксплуатационных свойств (например, износостойкости, жаропрочности).
Ключевым тезисом, объясняющим эффективность ТО, является ее способность управлять фазовыми превращениями в стали. Фундамент этих превращений заложен в диаграмме состояния системы Железо-Углерод ($\text{Fe-C}$), где ключевую роль играют критические точки, обозначаемые буквой A (от лат. arrest — остановка).
Роль критических точек ($A_{c1}, A_{c3}, A_{cm}$) как триггеров фазовых превращений:
Критические точки — это температуры, при которых начинаются или заканчиваются фазовые превращения при нагреве ($A_c$) или охлаждении ($A_r$).
| Критическая точка | Линия на диаграмме $\text{Fe-C}$ | Температура (для чистой стали) | Физический смысл |
|---|---|---|---|
| $A_{c1}$ | Линия PSK | $\approx 727^{\circ}\text{С}$ | Температура начала превращения феррито-цементитной смеси (перлита) в аустенит ($\gamma$-фазу) при нагреве. |
| $A_{c3}$ | Линия GS | Зависит от % С | Температура конца превращения феррита в аустенит для доэвтектоидных сталей (менее $0.8\% \text{ C}$). |
| $A_{cm}$ | Линия SE | Зависит от % С | Температура конца растворения вторичного цементита в аустените для заэвтектоидных сталей (более $0.8\% \text{ C}$). |
Нагрев стали выше $A_{c1}$ и $A_{c3}$ (или $A_{cm}$) приводит к образованию аустенита ($\gamma$-железо) — твердого раствора внедрения углерода в гранецентрированную кубическую (ГЦК) решетку железа. Аустенит, обладающий высокой пластичностью и способностью растворять значительное количество углерода (до $2.14\%$), является исходной фазой для всех последующих структурных изменений при охлаждении, которые и определяют конечные свойства материала. Таким образом, контролируя температуру нагрева, мы фактически программируем потенциал свойств, которые будут реализованы на этапе охлаждения.
Механизмы фазовых превращений аустенита и получаемые структуры: Количественный анализ
При охлаждении аустенит, представляющий собой пересыщенный при комнатной температуре раствор, стремится к распаду, чтобы достичь термодинамически более стабильного состояния. Механизм и продукты этого распада зависят исключительно от скорости охлаждения относительно критической скорости закалки ($\text{V}_{к}$).
Существуют два принципиально различных механизма превращения аустенита:
- Диффузионное превращение: Характерно для медленных и умеренных скоростей охлаждения. Оно сопровождается перераспределением атомов углерода и полиморфным превращением $\gamma$-железа в $\alpha$-железо.
- Бездиффузионное (Мартенситное) превращение: Характерно для очень высоких скоростей охлаждения, когда диффузия углерода подавляется, и превращение происходит по сдвиговому механизму.
Диффузионный механизм и ферритно-цементитные смеси
Диффузионный распад аустенита происходит при температурах выше точки начала мартенситного превращения ($\text{M}_{н}$) и приводит к образованию смесей феррита ($\alpha$-железо) и цементита ($\text{Fe}_{3}\text{C}$). Разница между получаемыми структурами — Перлитом, Сорбитом и Трооститом — заключается в степени дисперсности, то есть в расстоянии между пластинами феррита и цементита. Чем выше скорость охлаждения в диффузионной области, тем ниже температура распада и тем более дисперсна и тверда структура.
| Структура | Интервал образования ($\text{^{\circ}\text{С}}$) | Межпластинчатое расстояние | Твердость (НВ) | Особенности |
|---|---|---|---|---|
| Перлит | $727 — 650$ | $> 1.0 \text{ мкм}$ | $\sim 170-250$ | Грубый, мягкий, образуется при очень медленном охлаждении (например, при отжиге). |
| Сорбит | $650 — 550$ | $0.2 — 1.0 \text{ мкм}$ | $\sim 250-330$ | Более дисперсный, чем перлит. |
| Троостит | $550 — 450$ | $\le 0.1 \text{ мкм}$ | До $400$ | Высокодисперсный. Образование его в результате закалки часто называется трооститом закалки. |
Количественный анализ показывает, что именно дисперсность определяет механические свойства. Например, высокодисперсный троостит закалки, имеющий межпластинчатое расстояние не более $0.1 \text{ мкм}$, демонстрирует твердость, приближающуюся к $400 \text{ НВ}$, что значительно выше, чем у грубого перлита. Разве не удивительно, как микроскопические изменения в структуре кардинально меняют макроскопические свойства?
Бездиффузионный механизм и мартенсит
Когда скорость охлаждения превышает критическую скорость закалки ($\text{V}_{к}$), аустенит попадает в температурный интервал $\text{M}_{н} — \text{M}_{к}$ до того, как успевает произойти диффузионный распад. В этом интервале происходит мартенситное превращение — бездиффузионное, сдвиговое перемещение атомов железа, которое не сопровождается выделением углерода.
Мартенсит — это метастабильный, пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в $\alpha$-железе. Из-за отсутствия времени для диффузии, атомы углерода остаются «запертыми» в решетке, что приводит к ее искажению.
Физическая природа высокой твердости:
Вместо стабильной объемно-центрированной кубической (ОЦК) решетки, мартенсит имеет объемно-центрированную тетрагональную (ОЦТ) решетку. Эта тетрагональность (отношение осей $c/a$) прямо пропорциональна содержанию углерода. Запертые атомы углерода создают сильнейшие поля внутренних напряжений и структурных искажений, которые блокируют движение дислокаций. Именно эти искажения являются физической основой исключительной твердости и хрупкости мартенсита.
Интервал мартенситного превращения $\text{M}_{н} — \text{M}_{к}$ не зависит от скорости охлаждения (если она выше $\text{V}_{к}$), но критически зависит от химического состава. Для конструкционной стали 45 ($\approx 0.45\% \text{ C}$) $\text{M}_{н} \approx 350^{\circ}\text{С}$. С увеличением углерода $\text{M}_{н}$ и $\text{M}_{к}$ понижаются, что может привести к образованию остаточного аустенита, если $M_к$ опускается ниже $0^{\circ}\text{С}$.
Технологические режимы и назначение классических видов термической обработки
Классическая термическая обработка включает четыре основных вида, каждый из которых имеет строго регламентированный режим нагрева, выдержки и, главное, охлаждения.
Отжиг и нормализация: Подготовка структуры
Отжиг — это процесс, нацеленный на приведение структуры к равновесному или близкому к равновесному состоянию.
- Отжиг I рода (гомогенизирующий, рекристаллизационный): Проводится ниже $A_{c1}$. Цель — снятие внутренних напряжений (рекристаллизационный отжиг) или выравнивание химического состава (гомогенизация).
- Отжиг II рода (полный, неполный): Проводится с полным или неполным превращением в аустенит (выше $A_{c3}$ или между $A_{c1}$ и $A_{c3}$). Главная цель — получение мягкой, пластичной структуры (перлит, зернистый перлит), облегчающей обработку резанием.
Ключевым требованием отжига является очень медленное охлаждение (вместе с печью). Например, для инструментальных заэвтектоидных сталей ($\text{У}10-\text{У}12$) скорость охлаждения должна быть в пределах $20-40^{\circ}\text{С}/\text{ч}$ в интервале $700-400^{\circ}\text{С}$. Такая низкая скорость необходима для полного сфероидизирования цементита (образования шаровидных включений $\text{Fe}_{3}\text{C}$ вместо пластин), что обеспечивает максимальную мягкость и снижает абразивный износ режущего инструмента.
Нормализация — это разновидность отжига II рода, отличающаяся способом охлаждения. Нагрев происходит выше $A_{c3}$ или $A_{cm}$, но охлаждение — на спокойном воздухе. Это приводит к более быстрой скорости охлаждения, чем при отжиге, что дает более дисперсный перлит (иногда троостит) и более высокую прочность и твердость (по сравнению с отожженной сталью).
Назначение нормализации:
- Измельчение крупного зерна (полученного, например, при литье).
- Устранение цементитной сетки в заэвтектоидных сталях.
- Подготовка структуры для последующей закалки.
Закалка и Отпуск: Достижение заданных свойств
Закалка — это процесс, нацеленный на получение максимально твердой и прочной, но хрупкой структуры (мартенсита).
| Вид закалки | Режим нагрева | Цель |
|---|---|---|
| Полная закалка | Выше $A_{c3}$ (доэвтектоидные) или $A_{cm}$ (заэвтектоидные) | Полное превращение структуры в однородный аустенит с последующим получением мартенсита. |
| Неполная закалка | Между $A_{c1}$ и $A_{c3}$ | Превращение части перлита в аустенит; конечная структура — мартенсит + феррит (доэвтектоидные) или мартенсит + вторичный цементит (заэвтектоидные). |
Ключевым требованием закалки является скорость охлаждения, превышающая критическую скорость закалки ($\text{V}_{к}$). Для углеродистой стали 45 ($\approx 0.45\% \text{ С}$) $\text{V}_{к}$ составляет несколько сотен градусов в секунду, что требует охлаждения в воде или масле.
Пример режима для стали 45:
- Нагрев: $820-840^{\circ}\text{С}$ (выше $A_{c3}$).
- Охлаждение: Быстрое охлаждение в масле (для снижения риска трещин по сравнению с водой).
- Твердость после закалки: $56-59 \text{ HRC}$.
Отпуск — обязательная операция, которая следует за закалкой. Закаленная сталь обладает высокой твердостью, но имеет внутренние напряжения и чрезвычайную хрупкость. Отпуск устраняет эти недостатки за счет нагрева до температуры ниже $A_{c1}$ и последующей выдержки. В процессе отпуска происходит распад мартенсита, что сопровождается снижением внутренних напряжений и повышением пластичности/вязкости.
В зависимости от температуры отпуска получают следующие структуры:
- Низкий отпуск ($150-250^{\circ}\text{С}$): Снижение напряжений при сохранении высокой твердости (мартенсит отпуска). Применяется для инструментальной стали.
- Средний отпуск ($350-500^{\circ}\text{С}$): Получение троостита отпуска. Применяется для пружин и рессор.
- Высокий отпуск ($500-680^{\circ}\text{С}$): Получение сорбита отпуска (или перлитоподобной структуры). Дает оптимальное сочетание высокой прочности и вязкости. Применяется для конструкционных деталей (например, стали 45).
Кинетика превращений: Влияние углерода и легирующих элементов
Химический состав стали — это главный рычаг, с помощью которого технолог управляет фазовыми превращениями, смещая как равновесные линии на диаграмме $\text{Fe-C}$, так и кинетические кривые на $\text{TTT}$-диаграмме (кривая изотермического распада).
Роль углерода в стабильности аустенита
Углерод (С) является наиболее влиятельным элементом. Его увеличение:
- Повышает твердость и прочность мартенсита (за счет роста тетрагональности ОЦТ-решетки).
- Понижает критические температуры $M_н$ и $M_к$. Это объясняется тем, что атомы углерода стабилизируют ГЦК-решетку аустенита, затрудняя ее перестройку в ОЦТ-решетку.
| Марка стали | Содержание углерода (%) | $M_н$ (приблизительно) |
|---|---|---|
| Сталь 45 | $\approx 0.45$ | $\approx 350^{\circ}\text{С}$ |
| Сталь У10 | $\approx 1.0$ | $\approx 210^{\circ}\text{С}$ |
Значительное понижение $M_к$ при содержании углерода выше $0.6\%$ приводит к тому, что превращение не успевает завершиться при комнатной температуре. В результате в структуре закаленной стали остается значительное количество остаточного аустенита (ОА), который является мягкой, нестабильной фазой, снижающей общую твердость и стабильность размеров изделия. Для устранения ОА применяют обработку холодом. Именно поэтому высокоуглеродистые стали часто требуют криогенной обработки.
Влияние легирующих элементов и прокаливаемость
Легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Mn, Si и др.) вводятся для модификации фазовых превращений и улучшения эксплуатационных свойств.
Большинство легирующих элементов (кроме Кобальта) повышают устойчивость аустенита в области диффузионного распада. На ТТТ-диаграмме это проявляется в сдвиге С-образных кривых вправо и вниз. Это означает, что для начала диффузионного превращения требуется более длительное время или более низкая температура.
Следствие сдвига кривых вправо: резко уменьшается критическая скорость закалки ($\text{V}_{к}$).
Количественно критическая скорость закалки может быть оценена по упрощенной формуле:
Vк = Tн / tн
где $T_{н}$ — температура начала диффузионного распада, $t_{н}$ — время до начала распада.
Уменьшение $V_{к}$ является ключевым фактором, определяющим прокаливаемость стали — способность стали получать мартенситную структуру не только на поверхности, но и на значительной глубине. Легированные стали могут быть закалены в масле или даже на воздухе (для высоколегированных сталей), что снижает риск образования трещин и коробления.
По влиянию на цементит легирующие элементы делятся на:
- Карбидообразующие (Cr, W, Mo, V, Ti): Образуют специальные, высокостабильные карбиды, повышая жаропрочность и износостойкость.
- Некарбидообразующие (Ni, Si, Al, Cu): Растворяются в феррите и аустените, повышая их прочность и стабильность. Никель, в частности, является сильным аустенитообразующим элементом.
Современные и специальные методы термической обработки: ХТО и ТМО
Классическая термическая обработка (ТО) часто является недостаточной для деталей, работающих в условиях агрессивного износа, трения или коррозии, где требуется уникальное сочетание свойств: твердой поверхности и вязкой сердцевины. Эту задачу решают специальные виды обработки.
Химико-термическая обработка (ХТО)
ХТО — это процесс, который, в отличие от классической ТО, включает не только тепловое воздействие, но и целенаправленное насыщение поверхностного слоя металла атомами других элементов (углеродом, азотом, бором и др.) при высоких температурах.
Цель ХТО: Создание градиента концентрации легирующего элемента, что приводит к формированию высокотвердого, износостойкого или коррозионно-стойкого поверхностного слоя, при этом сохраняется исходная вязкость сердцевины.
Наиболее распространенные виды ХТО:
- Цементация (науглероживание): Насыщение поверхности углеродом (до $0.8-1.0\% \text{ C}$). Проводится для низкоуглеродистых сталей ($0.1-0.3\% \text{ C}$). Цель — получение высокой твердости после последующей закалки.
- Азотирование: Насыщение азотом. Проводится при более низких температурах ($500-600^{\circ}\text{С}$). Обеспечивает высочайшую поверхностную твердость и коррозионную стойкость за счет образования нитридов.
- Борирование: Насыщение бором. Дает исключительную износостойкость.
Технологические параметры газовой цементации:
Для получения цементованного слоя толщиной $1.0-1.3 \text{ мм}$ (типичное требование для шестерен) при температуре $920^{\circ}\text{С}$, процесс выдержки может занимать около 15 часов. Глубина слоя определяется законом Фика о диффузии, где время и температура являются ключевыми параметрами. После цементации обязательна закалка, чтобы превратить высокоуглеродистый поверхностный слой в мартенсит.
Термомеханическая обработка (ТМО)
ТМО — это передовой метод, сочетающий термическую обработку с контролируемой пластической деформацией (прокатка, ков��а, штамповка). Деформация проводится в аустенитном состоянии.
ТМО позволяет не только управлять фазовыми превращениями, но и измельчать аустенитное зерно, что невозможно достичь только термическими методами.
Различают два основных вида:
- Высокотемпературная ТМО (ВТМО): Деформация проводится при высоких температурах ($900-1100^{\circ}\text{С}$), где аустенит стабилен.
- Низкотемпературная ТМО (НТМО): Деформация переохлажденного аустенита при температурах его максимальной устойчивости ($450-550^{\circ}\text{С}$), непосредственно перед закалкой.
Главное преимущество ТМО: Благодаря деформационному упрочнению и сильному измельчению зерна, ТМО обеспечивает значительное повышение прочности и предела текучести при одновременном сохранении или даже повышении ударной вязкости. Ударная вязкость после ТМО может быть в 1.5-2 раза выше, чем после обычной закалки с низким отпуском, что критически важно для высоконагруженных деталей (валы, оси, детали шасси).
Заключение и практическая значимость
Термическая обработка, основанная на фундаментальных физико-химических законах, является критически важным и высокотехнологичным этапом в цикле производства металлических изделий. Управление фазовыми превращениями, инициируемыми через строгий контроль температуры ($T$), времени выдержки ($\tau$) и скорости охлаждения ($V_{\text{охл}}$), позволяет получать структуры с заданным комплексом эксплуатационных свойств.
Начиная от классических методов, которые обеспечивают базовое повышение твердости (закалка) или улучшают обрабатываемость (отжиг), и заканчивая продвинутыми технологиями, такими как химико-термическая и термомеханическая обработка, металловедение предлагает арсенал инструментов для создания материалов, способных выдерживать экстремальные нагрузки. Именно благодаря тонкому пониманию кинетики диффузионных и бездиффузионных процессов (от $\text{TTT}$-диаграмм до изменения $M_н$ под действием легирования) современное машиностроение и материаловедение могут создавать высоконадежные детали для самых ответственных применений.
Список использованной литературы
- Арзамасов Б.Н. Химико-термическая обработка металлов. Москва : Металлургия, 1985. 252 с.
- Башнин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки. Москва : Металлургия, 1986. 296 с.
- Берштейн М.Л., Займовский В.А. Термомеханическая обработка стали. Москва : Металлургия, 1983. 393 с.
- Гуляев А.П. Металловедение. Москва : Металлургия, 1986. 325 с.
- Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Москва : Металлургия, 1992. 426 с.
- Новиков И.И. Термическая обработка металлов. Москва : Металлургия, 1986. 480 с.
- Новиков И.И., Строганов Г.Б. Металловедение, термическая обработка и рентгенография. Москва : Изд-во МИСиС, 1994. 383 с.
- Физическое металловедение / под ред. Канна Р.У., Хаазена П.Т. Москва : Металлургия, 1987. 307 с.
- Превращения, происходящие в структуре стали, при нагреве и охлаждении. URL: xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai (дата обращения: 16.10.2025).
- Термическая обработка сталей и сплавов. URL: tpu.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Химико-термическая и термомеханическая обработки. URL: ktovdome.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Лабораторная работа №2. Термическая обработка углеродистой стали. URL: pnzgu.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Термическая обработка стали: виды, свойства. URL: impulse.su (дата обращения: 16.10.2025).
- Термическая обработка стали: виды, назначение, классификация. URL: rskrep.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Влияние легирующих элементов на изотермический распад аустенита. URL: studref.com (дата обращения: 16.10.2025).
- Лекция №6. Химико-термическая обработка (ХТО). URL: tpu.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Рекомендуемые режимы термообработки некоторых видов сталей. URL: x51.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Таблицы температур отжига и нормализации сталей: режимы термообработки металла. URL: inner.su (дата обращения: 16.10.2025).
- Диаграмма состояния системы железо – углерод. URL: ucoz.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Химико-термическая обработка металлов различных типов. URL: metobr-expo.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Термическая и химико-термическая обработка сталей. URL: liftspas.ru (дата обращения: 16.10.2025).
- Процесс термообработки стали марки 45. URL: uzto96.ru (дата обращения: 16.10.2025).