Термическая обработка стали

В книге освещаются теория и общие вопросы термической обработки стали на основании работ автора, классических и современных, преимущественно советских, исследований. Книга предназначена для инженерно-технических работников металловедов и термистов.

Термическая обработка стали известна человечеству с незапамятных времен. Когда люди начали применять сталь, они узнали, что она способна закаливаться и благодаря этому становится тверже. В «Одиссее» Гомера (IX—VIII вв. до нашей эры) говорится: «...как погружает кузнец раскаленный топор или секиру в воду холодную, и зашипит с клокотаньем железо, — крепче железо бывает в огне и воде закаляясь» (Гомер, «Одиссея», пер. И. А. Шуйского, IX, 391—393).

Плиний Старший (I век нашей эры) уже довольно подробно описывает, как надо производить закалку. Так, например, он говорит: «Более тонкие предметы из стали обыкновенно закаливают в масле из опасения, чтобы закалка в воде не причинила им хрупкости» (Historia naturalis, XXVIII, 148), — совет, хорошо известный термистам всех времен. Высокого искусства в проведении термической обработки достигли ремесленники древней Руси. Исследования советских историков показали, что во время Киевской Руси уже были известны основные виды термической обработки — цементация, отжиг, закалка, отпуск.

Сведения о том, как следует производить закалку, отпуск и другие термические операции, мы находим в средневековых рукописях, в работах ученых и техников далекого прошлого. Однако эти работы, даже такие замечательные, как исследования П. П. Аносова, ограничивались, в основном, рецептурными рекомендациями. Они решали задачу, как получить сталь с наилучшими свойствами, но не отвечали на вопрос, почему при некоторых условиях сталь приобретает эти свойства.

Термическая обработка стали, несмотря на удивительные достижения отдельных мастеров, оставалась искусством, которым они интуитивно владели; природа явлений, вызывающих столь резкие изменения в свойствах стали, оставалась непонятной и загадочной. Только в 1868 г. Д. К. Чернов показал, что свойства стали определяются внутренним строением («сложением», как тогда говорили) и это строение может направленно меняться волей человека. Д. К. Чернов тогда открыл, что нагрев металла при определенных критических температурах ведет к скачкообразному изменению его строения и его свойств. Эта работа Д. К. Чернова заложила основы научных представлений о стали и ее термической обработке. Д. К. Чернов является родоначальником научного металловедения, «отцом металлографии».

Дальнейшие работы по термической обработке стали явились по существу развитием этой первой работы Д. К. Чернова; в них изучались внутренние превращения и связь между структурой и свойствами стали.

В современном машиностроении роль термической обработки очень велика и с каждым годом ее значение в машиностроении возрастает. Значительное количество стальных деталей, из которых изготовляются детали машин, подвергаются термической обработке; при этом, чем ответственнее машина, тем больше число в ней термически упрочняемых деталей.

Уменьшение веса машин, экономное расходование металла в конструкциях, изделиях, инструментах, при одновременном улучшении их качества, на что как на первоочередную задачу указывают директивы XIX съезда партии по пятому пятилетнему плану развития СССР, может быть осуществлено при условии придания металлу оптимальных свойств, что достигается, в первую очередь, правильной термической обработкой металлов и сплавов.

Выполняя решения XIX съезда партии, советские машиностроители ведут решительную борьбу за уменьшение веса машин и улучшение их качества. Широкое внедрение термической обработки в машиностроение, проведение процессов термической обработки на базе современных достижений науки и практики с целью получения оптимальных свойств металла — вот основной путь решения этой задачи, поставленной перед машиностроителями XIX съездом партии.

Для проведения термических процессов наиболее рациональным методом прежде всего необходимо ясное представление о поведении металла при термической обработке, т. е. иметь по возможности исчерпывающие сведения о фазовых превращениях, об образовании различных структур. Не менее важным является знание свойств металла в его различных структурных состояниях, т. е. установление связи между свойствами металлов и сплавов и их структурой. Только зная, как происходит превращение, как образуется та или иная структура и какими свойствами она обладает, можно назначить правильный режим термической обработки и получить наилучшую структуру металла, обладающую оптимальными для данного конкретного случая свойствами.

Общим вопросам теории и практики термической обработки стали посвящена настоящая книга. Она не является учебником по термической обработке. Читатель этой книги должен быть уже знаком с рядом элементарных положений термической обработки. Поэтому книга может быть использована лишь как учебное пособие студентами старших курсов по специальности металловедение и термическая обработка, аспирантами и лицами, самостоятельно занимающимися повышением своей квалификации в этой области.

Книга не является также ни справочником, ни монографией. В ней нет справочных, числовых данных, конкретно указывающих, как надо производить термическую обработку той или иной стали, той или иной детали. Справочная литература по технологии термической обработки по отдельным отраслям машиностроения у нас достаточно обширна. В книге описываются общие, главнейшие данные о термической обработке стали. Она не является и монографией, так как не все вопросы термической обработки излагаются в ней с достаточной полнотой. Главное внимание в книге уделено тем вопросам, в разработке которых автор принимал личное участие. Вопросы, которые не стояли в центре внимания научной деятельности автора, изложены более кратко, хотя они, может быть, и заслуживают по своему значению более подробного освещения.

Автор стремился в этой книге осветить современное состояние теории и практики термической обработки. Отнюдь нельзя считать, что все, в том числе и основные, проблемы термической обработки выяснены окончательно. По многим вопросам существуют различные мнения. Во всех таких местах автор излагает свою точку зрения, безусловно сознавая, что в некоторых деталях она может быть весьма дискуссионной.

Современные теория и практика термической обработки основываются, главным образом, на исследованиях советских металловедов и термистов. Их работы, использованные в книге, указаны в списке литературы, который, конечно, не является полным и исчерпывающим. В нем лишь указаны работы, имеющие самое непосредственное отношение к рассматриваемым в данной книге вопросам. Указанная выше особенность книги привела к тому, что в списке литературы приводится большое количество работ автора книги. Там перечислены почти все его работы по превращениям в стали и по практике термической обработки.

Изложение теории и практики термической обработки и выводы по ним требуют подкрепления экспериментальными данными. Эти экспериментальные данные заимствованы из работ автора и его сотрудников и многих других исследователей. На эти работы в книге имеются точные ссылки. Все микрофотографии, за исключением очень немногих (в этих случаях это оговорено), взяты из работ автора и его сотрудников (Е. В. Петуниной, А. И. Гардина, Ф. И. Масленникова и др.). Обобщения, различные выводы, теоретические положения и т. д. даются на основании приведенных экспериментальных данных, и многие из этих выводов рассматриваются и публикуются в этой книге впервые.

Цель, которую поставил перед собой автор и которую старался выполнить, — это написать книгу, которая вооружила бы советских металловедов и термистов сведениями об основных процессах термической обработки. Знание их обеспечит лучшее проведение термической обработки и получение в результате ее более высокого качества металла.

А. Гуляев