Учебная дисциплина «Термическая обработка металлов» является нормативной и входит в цикл дисциплин профессионально-практической подготовки

Чтению этой дисциплины предшествует изучение таких дисциплин, как “Кристаллография и минералогия”, “Дефекты кристаллического строения”, “Металловедение”, “Структура и свойства металлов и сплавов”.

При подготовке материалов была проанализирована современная учебная и техническая литература по термической обработке, издаваемая в СНГ и в дальнем зарубежье.

Введение в дисциплину «Термическая обработки металлов»

Постоянное сокращение природных ресурсов на планете приводит развитые государства к необходимости реализовывать различные эффективные программы, направленные на снижение ресурсоемкости промышленности и ее продукции. Отрасли промышленности, особенно металлургическая, машиностроительная, судо-, авиа-, космическая и многие другие, добывающие и перерабатывающие природные ресурсы для изготовления качественной наукоемкой металлопродукции (прежде всего), должные непрерывно совершенствовать теорию и практику производства с целью снижения энерго- и ресурсоемкости.

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 продолжают активно внедряться в производство новые режимы и технологии термической и комбинированных обработок применительно к различным видам металлоизделий. 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.

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. К основным направлениям повышения качества стали и металлопроката (преимущественно в условиях 3 и 4 переделов), а именно механических и эксплуатационных характеристик, относятся: сужение пределов изменения химического состава в пределах марочного, понижения содержания серы, фосфора, газов, сульфидных и оксидных неметаллических включений, разработка оптимальных режимов деформационно-термической (в т.ч. и в двухфазной области), термической и комбинированных обработок. 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 инструмента и оружия, 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 и металлоемкость готовых изделий ответственного назначения, 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 и создатель 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 обзорная 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.

Профессора А.П. Виноградова можно считать основоположником четвертого передела на Юге Украины и, вероятно, благодаря его научным работам, показывающим важность термической обработки в производстве качественной металлопродукции, впоследствии в составе Днепропетровского металлургического института наряду с важнейшими кафедрами металлургического цикла была создана и кафедра термической обработки металлов.

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. С 1931 по 1941гг заведующим кафедрой металловедения был Василий Николаевич Свечников (впоследствии ставший академиком), который подготовил много замечательных ученых (Бунина К.П., Гриднева В.Н, Стародубова К.Ф. и др.)

А в 1931 году была образована и кафедра термической обработки металлов (ТОМ). Первым заведующим кафедрой ТОМ был доцент Лихнякевич И. Д. (1931-1932гг.) - ученик и соратник Виноградова А.П., выпускник гардемаринских курсов и С.-П. Технологического института, затем доц. Арсеничев В.И (1933г.) - выпускник Московского политехнического института и аспирант Д.Менделеева. Непродолжительное время руководство кафедрой осуществлял Гриднев В.Н. - выпускник Северо-Кавказского металлургического института, впоследствии ставший известным специалистов в области физического металловедения и академиком АН УССР. С 1934 года руководство кафедры осуществлял Свечников В. Н - выпускник С.Петербургского политехнического института, впоследствии известный ученый металловед-термист, академик АН УССР. В 1938 году кафедру ТОМ возглавил Кирилл Федорович Стародубов и руководил нею 40 лет - до 1978 года. С деятельностью К.Ф. Стародубова связаны наиболее значительные научно-техническое, материальное и кадровое развитие кафедры термической обработки металлов ДМетИ и отдела термообработки стали Института Черной Металлургии. Впоследствии кафедру возглавляли ученики академика К.Ф. Стародубова – доктор технических наук, профессор Долженков Иван Егорович (с 1978г по 2001г), а с 2001г кафедрой термической обработки металлов им. академика К.Ф. Стародубова Национальной металлургической академии Украины (НМетАУ) руководит 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 (типа Чернобыльской катастрофы), 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, что отмечено было наградным комитетом стран СНГ в период чествования 80-летия со дня образования кафедры и факультета.

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) и в России 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 типа нефтегазопроводных труб, толстостенных трубных обечаек для опорных блоков морских платформ, которые устанавливаются на шельфе морей, соединительных деталей и т.д.

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. Изучаемая дисциплина рассматривает основы традиционного четвертого передела – термической обработки металлов и сплавов.

Структура дисциплины, ее цель и решаемые задачи

Цель изучения дисциплины – освоение знаний и приобретение навыков, необходимых для осуществления на практике режимов и технологий термической обработки металлов и сплавов.

Изучение дисциплины ведется поэтапно, в соответствии с принятой в СНГ классификацией видов и подвидов термической и комбинированных обработок, в следующей очередности:

– Общие положения термической обработки, теоретические основы, термины, основные понятия и определения;

– Отжиги I-го рода (в обобщенное понятие «отжиг 1-го рода» входят следующие виды термической обработки):

-гомогенизационный (диффузионный) отжиг;

-рекристаллизационный отжиг;

-дорекристаллизационный отжиг;

-отжиг для уменьшения напряжений;

Отжиги II-го рода (различают следующие виды отжига П рода):

-полный;

-нормализационный (нормализация);

-неполный;

-изотермический;

-сфероидизирующий;

-противофлокенный

-патентирование

-графитизирующий для сталей;

– Диффузионное (перлитное) превращение аустенита в сталях и сплавах;

– Мартенситное (бездиффузионное или сдвиговое) превращение аустенита;

– Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита;

– Нагрев и охлаждение металлов при реализации режимов и технологий

термической и комбинированных обработок металлов, охлаждающие среды;

– Структурная наследственность в сталях;

– Отпуск сталей, явления отпускной хрупкости;

– Старение сталей и сплавов;

– Деформационно-термическая обработка сталей;

– Химико-термическая обработка сталей.

В связи с вхождением Украины в объединение стран, признавших Болонскую декларацию и создающих единое Европейское образовательное пространство, в системе отечественного высшего образования с 2004г вводится кредитно-модульная система организации учебного процесса. Эта система объединяет модульные технологии обучения с зачетными образовательными единицами (кредитами), т.е. изучаемый материал разделяется на зачетные модули, в состав которых входят: аудиторная, самостоятельная подготовка и контрольные мероприятия.

Принято, что один кредит Европейской кредитной трансферной системы (ECTS) состоит из 36 академических часов. Приказом ректора в НМетАУ установлено соответствие одного зачетного модуля одному кредиту ECTS. В новом Законе Украины «О высшем образовании» принятом Верховнным Советом Украины 01.07.14 и вступившим в действие с 06.09.14. один кредит ECTS состоит из 30 академических часов.

Получение высшего образования на каждом уровне предполагает успешное освоение соискателем соответствующей программы обучения, что является основанием для присвоения ему соответствующей степени высшего образования:

- младший бакалавр (объем программ обучения 90-120 кредитов ECTS, при наличии у соискателя полного общего среднего образования);

-бакалавр (объем программ обучения 180-240 кредитов, при наличии у соискателя полного общего среднего образования);

-магистр, может присваиваться при обучении по образовательно-профессиональной программе (ОПП - при объеме программ обучения 90-120 кредитов ECTS) или образовательго-научной программе (ОНП - при объеме программ обучения 120 кредитов ECTS). При этом ОНТ включает обязательно исследовательскую (научную) компоненту объемом не менее 30%. Соискатель имеет право на получение степени магистра при наличии степени бакалавра.

- доктор философии –это одновременно образовательная и первая научная степень, которая присваивается на третьем(образовательно-научном) уровне на основе степени магистра при успешном выполнении (в течении 4 лет) и защите диссертации;

-доктор наук - это вторая научная степень, которая присваивается соискателю на научном уровне (соответствует 9 квалификационному уровню Национальной рамки квалификаций) на основе степени доктора философии.

Распределение учебных часов по дисциплине «Термическая обработка металлов»

	Очная форма обучения (3 курс)	Заочная форма обучения (4 курс)
Всего учебных часов по учебному плану
В том числе: Аудиторных занятий
Из них лекций:
Лабораторных занятий
Индивидуальное задание	-	+
Семинаров	-	-
Самостоятельная работа

–

Основные процессы и явления, понятия, термины и определения,

Дата добавления: 2014-10-23