Введение в дисциплину «Термическая обработки металлов»

Часть I

Днепропетровск НМетАУ 2012

УДК 621.785:669

Методические указания к изучению дисциплины «Термическая обработка металлов». Часть I / Сост. Л.Н. Дейнеко. -Днепропетровск: НМетАУ, 2012.- с.

Рассмотрены основные понятия, термины, определения, процессы и явления, относящиеся к наиболее часто используемым на практике видам термической обработке, процессам фазовых превращений и структурообразования в металлах и сплавах.

Ó Составитель Л.Н.Дейнеко

Ответственный за выпуск: Ю.А.Клюшник., канд. техн. наук, доц.

Рецензент: Г.В. Левченко, д-р техн. наук, проф. (ИЧМ НАНУ)

Компьютерный набор -И.Ю. Белогорцева

СОДЕРЖАНИЕ

Введение в дисциплину «Термическая обработка металлов»……………….
Структура дисциплины, ее цель и решаемые задачи………………………...
Основные процессы и явления, понятия, термины и определения………….
Теоретические основы фазовых и структурных превращений в металлах и сплавах при термической обработке…………………………………………..
Литература………………………………………………………………………
ПРИЛОЖЕНИЯ. Контрольные вопросы по материалам методического пособия…………………………………………………………………….. 59
Приложение 1…………………………………………………………………..
Приложение 2…………………………………………………………………..
Приложение 3…………………………………………………………………..

Введение в дисциплину «Термическая обработки металлов»

Известно, что конструктивная прочность металлоизделий во многом определяется структурным состоянием металла или сплава и уровнем его напряженного состояния, которыми целенаправленно можно управлять за счет использования термической или комбинированной обработок.

Термическая обработка металлов и сплавов (и ее разновидности) в металлургии традиционно считается четвертым переделом (по очередности в цикле переработки металла: получение чугуна ®получение стали ® обработка металла давлением ® термообработка). В промышленности, в составе металлургических, машиностроительных, приборостроительных и др. заводов, существует большое количество термических цехов, участков, на оборудовании которых производится предварительная или окончательная термическая обработка проката или готовых металлоизделий, определяющая конечный уровень свойств металла. В последние десятилетия активно внедряется в производство термическая обработка различных видов металлопокрытий деталей различного назначения с целью оптимизации их структуры и свойств.

Даже краткий экскурс в историю развития человеческого общества показывает чрезвычайно важную роль металлов и их термической обработки в жизни людей. А в книге “Сталь на рубеже столетий”, вышедшей в свет в 2001г, акцентируется внимание на то, что хотя мы и живем в ХХ1 веке, который неоднократно назывался веком новых материалов, но главным конструкционным материалом этого века, а возможно и всего тысячелетия, все же будет оставаться сталь. Поэтому углубление знаний о способах производства и обработки металлоизделий является актуальной задачей человечества.

В переходный период от каменного века к бронзовому (эпоха энеолита), появились первые металлические изделия, которые древний человек получал ковкой каменным орудием самородного золота или меди, а впоследствии и меди, выплавленной из руды. По мере развития этого процесса изготовления оружия первобытный кузнец столкнулся с явлением наклепа, которое затрудняло изготовление тонкого режущего или колющего металлического изделия. И для придания наклепанному металлу пластических свойств человек нагревал изделие в огне. Исследования показывают, что такой рекристаллизационный отжиг использовался в конце пятого тысячелетия до нашей эры. Металлургическое производство железа началось примерно с конца второго тысячелетия до нашей эры. Железо получали тогда сыродутным способом из железной руды и оно было с низким содержанием углерода, что не позволяло существенно упрочнять его при закалке. Но в связи с тем, что нагрев орудий труда или оружия из такого железа производился в очаге с древесным углем, поверхностный слой металла в процессе нагрева подвергался науглероживанию (цементации), поэтому при последующем охлаждении происходило существенное повышение прочности и режущих свойств. Исследования ученых показывают, что такой режим обработки уже был известен в начале первого тысячелетия до н.э. О существовании термической обработки говорится и в известных древних рукописях, дошедших до наших дней. При этом в средние века наши предки уже применяли самые разнообразные технологические операции для повышения свойств металла - закалку в жидкостях, в воздушной среде, местную закалку лезвий, низкий, средний и высокий отпуск, цементацию, рекристаллизационный отжиг и т.д.

В средние века термообработка была искусством, которое известно было лишь немногим. В любые времена производство оружия являлось и продолжает являться одним из наиболее наукоемких, по техническому уровню которого можно косвенно судить о интеллектуальном и промышленном потенциале государства или общества. Один из таких исторических примеров касается знаменитых клинков из булатной стали (так называли этот металл в России), дамасской – на Ближнем Востоке, толедской – в Испании, из стали вуц – в Индии, которые ценились за свои качества во все времена очень высоко, но к началу 19 века секрет изготовления и обработки такой стали с целью получения высококачественного холодного оружия был утерян.

Решением этой сложной задачи (восстановлением утраченной технологии выплавки, ковки, термической обработки) занимались самые известные ученые и производственники во все эпохи, считая это делом профессиональной чести. Наиболее близко к восстановлению технологии изготовления булатных клинков подошел наш соотечественник Павел Петрович Аносов (1799-1851гг.), который в 1828-1837гг. в Златоусте изготовил определенное количество булатных клинков, отвечающих самым высоким требованиям. Аносов П.П. является первым ученым в мире, который в 30-х годах 19 века под световым микроскопом начал исследовать полированный и протравленный образец стали. Хотя первые упоминания о наблюдении под микроскопом металлических предметов относятся к 1664г. Независимо от Аносова П.П. микроскопический метод анализа металлов использовал и английский ученый Сорби (1857г.), а затем в 1878г и Мартенс. Эти ученые и являются основоположниками микроскопической металлографии и на ее основе микрофотографии. Термическая обработка металлов, чаще всего, является заключительной технологической операцией, определяющей качество готовых изделий ответственного назначения и поэтому над ее развитием и совершенствованием постоянно трудятся ученые и производственники.

Основы теории и научно обоснованной технологии термической обработки высокопрочной стали были заложены нашими известными учеными-металлургами Дмитрием Константиновичем Черновым (1839-1921гг.) и его учениками и соратниками (А. А. Ржешотарским, Н. И. Беляевым, Н. В. Калакуцким и др.). В 1868 году Д.К. Чернов делает свой знаменитый доклад “ Критический обзор статей гг. Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные Д.К. Чернова исследования по этому же предмету ”. На основании собственных исследований Д.К. Чернов сделал выводы, что изменения в структуре и свойствах термообрабатываемого металла происходят только после достижения металлом определенных температур при нагреве, которые он назвал точками “а” и “b”. Значение температур, характерных для этих точек, сам Чернов Д.К. выразил словами “ Сталь, как бы тверда она не была, будучи нагрета ниже точки “ а ”, не принимает закалки, как бы быстро ее ни охлаждали; напротив того, она становится мягче и легче обрабатывается пилой ”. “ Как только температура стали возвысилась до точки “ b ”, масса стали быстро переходит из зернистой (подразумевается кристаллической) в аморфное состояние”. В те времена еще не было приборов для исследования металла и Чернов Д.К. ошибочно считал, что при такой температуре металл становится аморфным. Точки “ х” и “ с”, открытые им, характеризуют температуры начала плавления стали (точка “ х”) и конец плавления стали (точка “ с ”).

Таким образом Д.К. Чернов открыл внутренние структурные превращения в сталях и связал с ними тепловой режим ковки и технологию термообработки, а по существу он открыл явление полиморфизма в железе и связанные с этим особенности различных модификаций железа. Это открытие и является теоретической основой термической обработки металлов.

К числу ученых, которые внесли большой вклад в изучение и объяснение параметров технологии изготовления качественных сталей, в частности булата, относится создатель и руководитель научно-исследовательской кафедры металлографии и механо - термической обработки металлов Екатеринославского горного училища (впоследствии горного института) - профессор Виноградов Андрей Павлович. В 1928 году в сборнике научных трудов горного института (Наукові записки науково-дослідчої катедри металографії та механо-термічного обробітку металів при ДГІ) была опубликована заключительная статья проф. Виноградова А.П. “Мягкий булат и происхождение булатного узора”, которую можно рекомендовать и в н.в. всем термистам и металловедам для внимательного изучения. А.П. Виноградова можно считатьодним из основоположников металлургической науки в Украине. Он являлся признанным специалистом в области прокатного, литейного, доменного производства, печной теплотехники, металлографии и термической обработки, в вопросах качества продукции и др. Такой необычайно широкий диапазон научных исследований А.П. Виноградова и эффективность его работы можно объяснить его личными качествами и системой образования, существующей до 17-го года и унаследованной советской системой. Характерным для фундаментальных трудов А.П. Виноградова является комплексный подход в достижении заданной цели, например при исследовании свойств булатной стали им были досконально изучены условия плавки, термомеханической обработки, структура и свойства металла.

Надо отметить, что Высшее горное училище было открыто в Екатеринославе в 1899 году в составе двух отделений - горного и металлургического. В 1912 году оно было преобразовано в горный институт, а в апреле 1930 года из состава горного института были организованы три самостоятельных института - горный, металлургический и химико-технологический.

В металлургическом институте была организована кафедра металловедения и термической обработки. Поэтому закономерным является назначение первым заведующим кафедрой термической обработки металлов в Днепропетровском металлургическом институте ученика и соратника проф. Виноградова А.П. - доцента Лихнякевича Даминианта (Дмитрия) Ивановича, который руководил кафедрой термической обработки металлов в 1931-1932гг. В 1933г он был репрессирован. Известно, что Лихнякевич Д.И. окончил морской кадетский корпус (г. С.-Петербург), участвовал в загранплаваниях, учился в Санкт-Петербургском Технологическом университете. С 1903г офицер корпуса карабельных инженеров, принимал участие в строительстве бронированых военных судов. Был награжден за заслуги перед Отечеством орденами и золотым оружием.

В 1913-1914г штабс-капитан Д.И. Лихнякевич был командирован на Мариупольский бронеделательный (ныне “Азовмаш”) и Екатеринославский сталечугунолитейный (ныне им. Петровского) завод в качестве военпреда, наблюдающего за производством деталей для военных судов. После революции Д.И. Лихнякевич работает ассистентом в Горном институте совместно с А.П Виноградовым, активно помогая ему в исследованиях с булатами и различными видами металлопроката.

С 1931г по 1945г (в разные периоды) заведовал кафедрой металлографии и термической обработки металлов Днепропетровского металлургического института Свечников Василий Николаевич, впоследствии академик АН УССР, д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки и техники УССР. Под его руководством защитили кандидатские диссертаци В. Н. Гриднев, К. П. Бунин, Е, В. Панченко, Д. Ф. Павленко, Я. В. Гречный, А. Б. Кривошеев. Кандидатская степень без защиты была присуждена в 1938г К.Ф. Стародубову, который начал свою научную деятельность в 1925г в лаборатории металлографии Объединения заводов им. Ленина и им. Петровского, а затем принял ее под свое руководство от Свечникова В.Н.

В 1933г заведовал кафедрой термической обработки металлов ДметИ доцент Арсеничев В.И. Был репрессирован.

Известно, что он уроженец Екатеринослава, учился в Московском политехническом институте. Был аспирантом Д.И. Менделеева. Квалификационную работу защитил в 1907 году в Берлине. Прошел путь адьюнкта –магистра, приват-доцента, ординарного профессора, магистр-техники. Член наблюдательного совета, зам. директора Екатеринославского Горного Училища. Специализировался в области создания и изучения высоколегированных сталей типа 30-40Х13.

В 1938 году кафедру ТОМ возглавил Кирилл Федорович Стародубов и руководил нею 40 лет - до 1978 года. Под руководством академика К.Ф. Стародубова были созданы, продолжают развиваться и совершенствоваться различные научно-технические направления, о которых много информации можно найти в публикациях последних десятилетий. Наибольшую же известность К.Ф. Стародубову, как ученому с мировым именем, внесшему огромный вклад в развитие теоретических основ и параметров промышленного производства, принесло новое научно-прикладное направление - термическое упрочнение металлопроката и изделий с использованием тепла прокатного нагрева.

С именем К.Ф. Стародубова и его учеников, сподвижников связаны масштабные внедрения в промышленное производство новых технологических процессов и оборудования для их осуществления. Это позволило дополнительно повышать рад эксплуатационных характеристик металлоизделий и снижать за счет этого металлоемкость машин и механизмов. Разработанные под руководством К.Ф. Стародубова эффективные технологические схемы термического упрочнения массовых видов металлопроката в потоке станов и методы исследования их свойств, намного опережали аналогичные исследования, проводимые в США, Японии, Англии.

С 1978 года по 2001 год кафедру возглавлял профессор Долженков Иван Егорович, а с 2001г кафедрой термической обработки металлов (ТОМ) Национальной металлургической академии Украины руководит ученик и последний аспирант К.Ф. Стародубова, доктор технических наук, профессор Дейнеко Л. Н.

В связи с тем, что термическая обработка является одной из наиболее эффективных видов финишной обработки готовых металлоизделий, ее роль чрезвычайно повышается в период наиболее тяжелых ситуаций для народов и государств - а именно такими ситуациями являются войны и другие экстремальные ситуации, которые требуют огромного количества высококачественного металла и изделий из него. И в наше время для поддержания достаточной обороноспособности армий Украины и стран СНГ требуется высокопрочная броня и качественные металлоизделия для танков, надводных и подводных судов, самолетов, космических аппаратов и другой военной и гражданской техники. Следует отметить, что и кафедра ТОМ ДМетИ (в настоящее время НМетАУ) в разные годы своего существования внесла весомый вклад в создание различных технологий упрочняющей термообработки для гражданской и военной промышленности.

В последние десятилетия претерпел изменения и статус термической обработки, которая традиционно считалась четвертым переделом в технологической цепочке изготовления качественных металлоизделий. В промышленно развитых странах Запада, США, Канады, а в последние годы и в Украине (г. Мариуполь) термические цеха (по сути это региональные специализированные центры) уже давно работают в отрыве от других производств, т.е. существуют как самостоятельный передел.

С развитием науки и техники в последние 15-20 лет появились новые технологии, объединяющие в единую технологическую линию производство жидкого металла и термодеформационную обработку, так называемые “литейно-прокатные модули”, в которых металл в процессе кристаллизации в машинах непрерывной разливки может подвергаться не только деформации по мере появления закристаллизовавшейся поверхностной корки (которая составляет не менее 30% от общего объема сляба), но и термоциклированию сляба с целью улучшения структуры литого металла. Использование термической обработки металла при производстве слябов или подката (после черновой прокатки) все чаще находит применение при выпуске высокопрочного металлопроката для ответственных изделий.

Таким образом, сфера профессиональной деятельности термистов уже не ограничивается четвертым переделом, а все чаще используется на более ранних стадиях производства качественной металлопродукции. И эта тенденция будет неуклонно возрастать по мере повышения требований к эксплуатационным свойствам сталей и сплавов.

Как известно традиционный процесс получения любого изделия из черного металла состоит из четырех основных переделов, обеспечивающих: производство чугуна; получение стали; обработку металла давлением; термическую обработку (и ее разновидности) готового металлопроката или изделий из него. Между этими переделами и (или) после них металл может подвергаться механической или другой обработке.