---
title: "Deformace v důsledku tepelného zpracování a zbytkové…"
description: "Zjistěte, jak tepelné zpracování způsobuje deformaci oceli a vznik zbytkového napětí v důsledku teplotních gradientů, fázových změn a kalení."
canonical: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli
language: cs
robots: index, follow
og_type: article
type: wiki-article
language_alternates:
  en: https://steelequivalents.com/wiki/heat-treatment/heat-treatment-distortion-and-residual-stress-in-steel.md
  cs: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli.md
  de: https://steelequivalents.com/de/wiki/wärmebehandlung/wärmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl.md
  es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/distorsión-por-tratamiento-térmico-y-tensiones-residuales-en-el-acero.md
  fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/distorsion-et-contraintes-résiduelles-dans-l-acier-dues-au-traitement-thermique.md
  hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/a-hőkezelés-okozta-alakváltozás-és-maradó-feszültség-acélban.md
  it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/distorsione-da-trattamento-termico-e-tensioni-residue-nell-acciaio.md
  nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/vervorming-door-warmtebehandeling-en-restspanningen-in-staal.md
  pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obróbka-cieplna/odkształcenia-powstałe-podczas-obróbki-cieplnej-i-naprężenia-resztkowe-w-stali.md
  pt: https://steelequivalents.com/pt/wiki/tratamento-térmico/distorção-provocada-pelo-tratamento-térmico-e-tensões-residuais-no-aço.md
  ru: https://steelequivalents.com/ru/вики/термическая-обработка/деформация-и-остаточные-напряжения-в-стали-после-термической-обработки.md
  tr: https://steelequivalents.com/tr/wiki/ısıl-işlem/çelikte-isıl-işlem-deformasyonu-ve-artık-gerilme.md
  zh: https://steelequivalents.com/zh/维基/热处理/钢材热处理变形与残余应力.md
  ja: https://steelequivalents.com/ja/ウィキ/熱処理/鋼の熱処理による変形と残留応力.md
  ar: https://steelequivalents.com/ar/ويكي/المعالجة-الحرارية/التشوه-والإجهادات-المتبقية-في-الفولاذ-الناتجان-عن-المعالجة-الحرارية.md
  ko: https://steelequivalents.com/ko/위키/열처리/강의-열처리-변형-및-잔류-응력.md
  pt-br: https://steelequivalents.com/pt-br/wiki/tratamento-térmico/distorção-e-tensão-residual-no-tratamento-térmico-do-aço.md
  hi: https://steelequivalents.com/hi/विकी/ऊष्मा-उपचार/इस्पात-में-ऊष्मा-उपचार-के-कारण-विकृति-और-अवशिष्ट-तनाव.md
content_hash: sha256:464168ebf2ed826612aec42fcf932f70fb501d6038782ce1e503d3ad174cf685
generated: 2026-09-26
---

> **Machine-readable Markdown rendering.** This is a Markdown representation of a web page,
> served for AI agents and crawlers as a token-efficient alternative to the full HTML.
> Full interactive HTML version: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli
> Canonical URL: https://steelequivalents.com/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli
> Available languages: en, cs, de, es, fr, hu, it, nl, pl, pt, ru, tr, zh, ja, ar, ko, pt-br, hi
> Change detection: `content_hash` is the SHA-256 of this document's Markdown body — everything
> below this block, whitespace-trimmed, excluding the front-matter. Compare it to detect a real
> content change; `generated` moves on every render and is not a change signal.

![Deformace v důsledku tepelného zpracování a zbytkové napětí v oceli](/images/uploads/04bd29f1-6a80-48dd-bc9b-7031d130dae1/wiki-hero-a-red-hot-steel-shaft-being-lifted-from-a-quench-tank-with-vapor-rising-from-its-1920x823.jpg)

Tepelné zpracování

# Deformace v důsledku tepelného zpracování a zbytkové napětí v oceli

Zjistěte, jak tepelné zpracování způsobuje deformaci oceli a vznik zbytkového napětí v důsledku teplotních gradientů, fázových změn a kalení.

![Portrét Anderse Bergströma, reportéra ocelářského průmyslu](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/cs/novinky/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Tepelné zpracování 60+ min čtení Aktualizováno 14. 8. 2026 Ověřeno odbornou literaturou

  Na této stránceNa této stránce

- [1. Co znamenají deformace po tepelném zpracování a zbytková napětí](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#1-co-znamenají-deformace-po-tepelném-zpracování-a-zbytková-napětí "1. Co znamenají deformace po tepelném zpracování a zbytková napětí")
- [2. Tři hlavní zdroje zbytkového napětí v tepelně zpracované oceli](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#2-tři-hlavní-zdroje-zbytkového-napětí-v-tepelně-zpracované-oceli "2. Tři hlavní zdroje zbytkového napětí v tepelně zpracované oceli")
- [3. Ohřev: první fáze rizika deformace](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#3-ohřev-první-fáze-rizika-deformace "3. Ohřev: první fáze rizika deformace")
- [4. Austenitizace a metalurgický stav před kalením](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#4-austenitizace-a-metalurgický-stav-před-kalením "4. Austenitizace a metalurgický stav před kalením")
- [5. Kalení jako spřažený problém přenosu tepla a transformace](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#5-kalení-jako-spřažený-problém-přenosu-tepla-a-transformace "5. Kalení jako spřažený problém přenosu tepla a transformace")
- [6. Fázové přeměny a přeměnou vyvolané přetvoření](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#6-fázové-přeměny-a-přeměnou-vyvolané-přetvoření "6. Fázové přeměny a přeměnou vyvolané přetvoření")
- [7. Geometrie, tloušťka průřezu a konstrukce součásti](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#7-geometrie-tloušťka-průřezu-a-konstrukce-součásti "7. Geometrie, tloušťka průřezu a konstrukce součásti")
- [8. Profily zbytkového napětí po kalení](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#8-profily-zbytkového-napětí-po-kalení "8. Profily zbytkového napětí po kalení")
- [9. Popouštění, odstranění pnutí a následné tepelné zpracování](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#9-popouštění-odstranění-pnutí-a-následné-tepelné-zpracování "9. Popouštění, odstranění pnutí a následné tepelné zpracování")
- [10. Obrábění, broušení a uvolňování skrytého pnutí](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#10-obrábění-broušení-a-uvolňování-skrytého-pnutí "10. Obrábění, broušení a uvolňování skrytého pnutí")
- [11. Praskání, přepracování a důsledky v provozu](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#11-praskání-přepracování-a-důsledky-v-provozu "11. Praskání, přepracování a důsledky v provozu")
- [12. Měření deformace a zbytkového napětí](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#12-měření-deformace-a-zbytkového-napětí "12. Měření deformace a zbytkového napětí")
- [13. Modelování a simulace deformací při tepelném zpracování](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#13-modelování-a-simulace-deformací-při-tepelném-zpracování "13. Modelování a simulace deformací při tepelném zpracování")
- [14. Strategie Procesu a Konstrukce pro Řízení Deformací](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#14-strategie-procesu-a-konstrukce-pro-řízení-deformací "14. Strategie Procesu a Konstrukce pro Řízení Deformací")
- [15. Úvahy týkající se jakosti, normy a specifikace procesu](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#15-úvahy-týkající-se-jakosti-normy-a-specifikace-procesu "15. Úvahy týkající se jakosti, normy a specifikace procesu")
- [16. Diagnostický rámec pro poruchy vedoucí k deformacím](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#16-diagnostický-rámec-pro-poruchy-vedoucí-k-deformacím "16. Diagnostický rámec pro poruchy vedoucí k deformacím")
- [17. Klíčová rozlišení a běžné mylné představy](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#17-klíčová-rozlišení-a-běžné-mylné-představy "17. Klíčová rozlišení a běžné mylné představy")
- [18. Referenční tabulky a praktický kontrolní seznam](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#18-referenční-tabulky-a-praktický-kontrolní-seznam "18. Referenční tabulky a praktický kontrolní seznam")

## 1. Co znamenají deformace po tepelném zpracování a zbytková napětí

#### Postup tepelného zpracování

1. **Ohřev** Teplotní gradienty vytvářejí rozdílnou tepelnou roztažnost a mohou způsobit počáteční plastickou deformaci.
2. **Výdrž** Vzniká austenit, redistribuují se uhlík a legující prvky a vyvíjí se velikost zrna.
3. **Kalení** Rozdíly v ochlazování povrchu a jádra se kombinují s deformací způsobenou fázovou přeměnou a s omezením deformace.
4. **Popouštění** Martenzit se mění, část napětí se uvolňuje a zadržený austenit může pokračovat v přeměně.

Tepelné zpracování mění více než jen tvrdost. Během ohřevu, prodlevy, kalení a popouštění působí na ocelovou součást teplotní gradienty, fázové přeměny, objemové změny, elastická přetvoření, plastický tok a změny pevnosti. Její konečné rozměry a stav vnitřních napětí jsou proto výsledkem vzájemně propojeného termomechanického a metalurgického procesu, nikoli pouze teplotní historie. \[1\] \[1\] [**Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review**](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x). Authors in the review. Journal of Materials Engineering and Performance, 2022.

Tenká hrana se může ochladit a přeměnit dříve než jádro. Cementovaná vrstva se může smršťovat odlišně od nízkouhlíkového vnitřku. Odlitek může již před vložením do pece obsahovat napětí vzniklá tuhnutím. Výsledek může ovlivnit proudění kalicího média, teplota lázně, orientace součásti, tloušťka průřezu, prokalitelnost slitiny a dokonce i pořadí obráběcích operací. Přehledová studie autorů publikovaná v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* označuje za rozhodující faktory vzájemné působení přenosu tepla, fázové přeměny, geometrie, tloušťky průřezu, volby kalicího média a intenzity kalení, nikoli nezávislé proměnné ([přehledová studie z roku 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "přehledová studie z roku 2022")).

### Rozměrová deformace versus vnitřní napětí

**Deformace** je nezamýšlená změna tvaru nebo rozměrů součásti. Zahrnuje prohnutí, ohnutí, zkroucení, ovalitu, kuželovitost, lokální zvětšení nebo smrštění a změny rovinnosti či házení. Pokud se zakalený hřídel zdeformuje do tvaru banánu, došlo k jeho deformaci. Pokud se ložiskový kroužek změní z kruhového na oválný, je deformovaný, i když se jeho průměr změnil jen velmi málo. Deformace se zjišťuje rozměrovou kontrolou, souřadnicovým měřením, kalibry nebo porovnáním s geometrií před tepelným zpracováním.

**Zbytkové napětí** je napětí, které v tělese zůstává po skončení působení vnějšího zatížení, teplotního rozdílu nebo technologické operace, jež je vyvolala. Je samo-vyrovnávající: oblasti v tahu a tlaku existují současně tak, aby součást bez působení vnějšího zatížení splňovala celkovou rovnováhu sil a momentů. Povrch může být namáhán tlakem, zatímco podpovrchová oblast tahem, nebo naopak. Součást může vypadat rovně, i když v ní zůstávají značná napětí.

Tři hlavní zdroje zbytkového napětí v tepelně zpracované oceli.
| Zdroj napětí | Hlavní příčina | Typický důsledek |
|---|---|---|
| Tepelné | Nerovnoměrná roztažnost nebo smršťování | Napětí na povrchu a v jádře, ohyb nebo zkřivení |
| Transformační | Odlišné fázové přeměny a transformační deformace | Růst, smrštění, ovalita nebo obrácení napětí |
| Kalicí | Lokální překročení meze kluzu a proměnlivá pevnost | Trvalá deformace, redistribuce napětí a riziko vzniku trhlin |

Kapitola ASM International „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels“ rozlišuje teplotní, transformační a zbytková napětí vznikající při kalení. Teplotní zbytkové napětí vzniká tehdy, když se různé oblasti během ochlazování smršťují v rozdílné míře. Transformační zbytkové napětí vzniká, když se austenit v různých časech a na různých místech mění na produkty, jako jsou martenzit, bainit nebo perlit. Zbytkové napětí vznikající při kalení odráží vzájemné působení těchto účinků s průběžně se měnící pevností a plasticitou oceli. Tyto kategorie se ve skutečné součásti překrývají, jejich rozlišení však pomáhá určit zdroj rozměrového problému ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")).

#### Zásadní rozdíl

Součást může splňovat rozměrové tolerance a přitom si zachovávat silné vnitřní napěťové pole, nebo se může po obrábění deformovat, když úběr materiálu uvolní vyvážený stav napětí.

Součást může splňovat rozměrové tolerance a přitom si zachovávat silné vnitřní napěťové pole, které později způsobí posun nebo poškození součásti. Strong evidence

Deformace a zbytková napětí se často vyskytují společně, nejsou však zaměnitelná. Součást může být viditelně zkřivená, přičemž po výrazné plastické relaxaci v ní zůstává poměrně málo uzamčeného napětí. Může také splňovat rozměrové tolerance, a přitom obsahovat silné pole vnitřních napětí. Druhý případ je nebezpečný, protože pozdější obrábění, broušení, svařování, provozní zatížení nebo tepelné cyklování mohou napětí uvolnit nebo přerozdělit. Publikace *Metallurgy of Heat Treatment*, uchovávaná v archivu materiálových dat National Institute of Standards and Technology, popisuje, jak mohou neuvolněná napětí po kalení způsobit deformaci během obrábění: odebrání materiálu změní rovnováhu, která předtím udržovala součást v jejím naměřeném tvaru ([archiv materiálových dat NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "archiv materiálových dat NIST")).

Proto konečná kontrola provedená bezprostředně po kalení neposkytuje úplný obraz rozměrové stability. Ozubené kolo může projít kontrolou házení a následně se během dokončovacího broušení pohnout. Deska může zůstat rovná, dokud není obrobena jedna její plocha. Kalený hřídel může při podepření vykazovat jen malou změnu, po uvolnění z upnutí se však ohne. Rozměrová správnost v jedné fázi není důkazem, že stav napětí je neškodný.

### Proč může být součást rozměrově správná, a přesto silně namáhaná

Součást zůstává rozměrově správná, pokud jsou přetvoření vzniklá během zpracování slučitelná s jejím tvarem, omezeními a odezvou materiálu, i když jsou vnitřní napětí vysoká. Uvažujme dlouhou homogenní tyč ohřívanou a ochlazovanou téměř symetricky. Na jejím povrchu a v jádře mohou vzniknout opačná napětí, celkový ohybový moment však může zůstat téměř nulový. Tyč zůstane rovná, zatímco tahová a tlaková napětí se v průřezu vyrovnají.

Podobný výsledek může nastat u kroužku nebo kotouče, pokud je napěťové pole osově symetrické. Součást se může rozpínat nebo smršťovat dostatečně rovnoměrně, aby zůstala kruhová, přestože jsou v materiálu uzamčena radiální a obvodová napětí. Rozměrové měření zaznamenává vnější důsledek; přímo však neodhaluje rozložení vnitřních napětí.

Možný je i opačný případ. Pokud se jedna strana ochlazuje rychleji nebo pokud se tenká příruba přemění před tlustým nábojem, vyvolá neslučitelné přetvoření ohyb nebo zkroucení. Část napětí se uvolní plastickou deformací, takže zůstane trvalá změna tvaru. Konečná součást proto může vykazovat zjevnou deformaci i poté, co velká část původního napětí zanikla.

Publikace ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* označuje minimalizaci deformace a nežádoucího zbytkového napětí za hlavní kritéria návrhu tepelného zpracování. Toto znění je důležité: samotné omezení rozměrových změn nestačí. Proces, který udrží součást rovnou pomocí silného upnutí, může zanechat vysoké napětí, jež se později projeví praskáním, poškozením při broušení nebo nestabilitou v provozu. U.S. Department of Energy obdobně spojuje teplotní a zbytková napětí v ocelových odlitcích s deformacemi, praskáním, přepracováním, opravami svařováním, rozměrovými odchylkami a horšími provozními vlastnostmi ([zpráva DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "zpráva DOE")).

Výchozí stav mění také historie materiálu. Předchozí kování, odlévání, svařování, tváření za studena, obrábění, cementování, nitridování nebo odstraňování napětí mohou změnit strukturu zrna, tvrdost, zbytkové napětí a průběh fázových přeměn. Studie University of Iowa týkající se ocelových odlitků zdůrazňuje, že při předpovědi konečných rozměrů a zbytkových napětí je nutné zohlednit historii odlitku. Simulace tepelného zpracování, která vychází z předpokládané beznapěťové a homogenní mikrostruktury, proto může poskytnout přesnou odpověď na nesprávně formulovaný problém.

### Elastické přetvoření, plastické přetvoření a trvalá změna tvaru

Pružná deformace **Pružná deformace** Deformace, která se po odstranění působícího napětí obnoví, pokud materiál nepřekročil mez kluzu.

Elastické přetvoření je vratná deformace. Po odstranění napětí se materiál vrací ke svému předchozímu tvaru. Během kalení vytvářejí teplotní rozdíly a transformační přetvoření nejprve elastické napětí, avšak pouze do doby, než místní napětí překročí mez kluzu závislou na teplotě.

Plastické přetvoření je trvalá deformace vznikající tehdy, když místní napětí překročí tuto proměnlivou mez kluzu. Horká ocel se během ohřevu snadno plasticky deformuje; chladnější oblasti, v nichž probíhá přeměna, mohou být natolik pevné, že deformaci odolávají, zatímco sousední oblasti se dále smršťují nebo přeměňují. Protože se během zpracování mění mez kluzu, součinitel tepelné roztažnosti i fázové složení, hranice mezi elastickým a plastickým chováním se v celé součásti neustále posouvá. \[2\] \[2\] [**Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II**](<https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942>). Authors of the IJMPT discussions. International Journal of Materials and Product Technology, 2005.

Trvalá deformace vzniká tehdy, když jsou plastická přetvoření prostorově neslučitelná. Pokud by se všechny oblasti smršťovaly stejně, součást by se jednoduše zmenšila. Pokud se jedna oblast smrští více než jiná a rozdíl nelze vyrovnat elasticky, součást se ohne, zkroutí nebo změní svůj profil. Další zdroj přetvoření představují fázové přeměny: například vznik martenzitu je spojen se zvětšením objemu, zatímco jiné přeměny mají odlišný časový průběh a velikost. Diskuse v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* z roku 2005 označuje nerovnoměrné teplotní gradienty za hlavní zdroj deformace při kalení a spojuje zbytkové napětí s plastickou deformací na mikroměřítku, podmínkami kalicího média, povrchovým a objemovým kalením a konečným broušením ([část I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "část I"); [část II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "část II")).

Zpráva Worcester Polytechnic Institute vyjadřuje stejnou myšlenku jako vzájemně propojený problém zahrnující přenos tepla, fázovou přeměnu, napětí, přetvoření a mikrostrukturní změny ([zpráva WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "zpráva WPI")). To je užitečný výchozí bod pro zbytek tohoto článku: tepelné zpracování na ocel pouze neuplatňuje teplotní režim. Vytváří proměnlivé a vzájemně se ovlivňující pole tepelných a metalurgických přetvoření a konečné rozměry jsou viditelným pozůstatkem této historie.

## 2. Tři hlavní zdroje zbytkového napětí v tepelně zpracované oceli

Zbytkové napětí je napětí, které zůstává po odstranění vnějších zatížení a teplotních gradientů. Deformace je změna rozměrů: prohnutí, ovalita, růst, smrštění, zkroucení nebo změna rovinnosti. Tyto dva výsledky spolu souvisejí, ale nejsou totožné. Součást může mít vysoké zbytkové napětí, a přitom se rozměrově jevit jako přesná, nebo se může po obrábění deformovat, protože odstranění materiálu uvolní dříve vyvážené napěťové pole.

ASM International rozděluje zbytkové napětí po tepelném zpracování do tří hlavních zdrojů: tepelné napětí, transformační napětí a zbytkové napětí vznikající při kalení. Tato klasifikace je užitečná, protože jednotlivé mechanismy se liší, i když ve skutečné ocelové součásti působí současně. Výraz jako „kalicí napětí“ proto skrývá skutečnou posloupnost dějů. Přenos tepla, fázová přeměna, tloušťka průřezu, geometrie, prokalitelnost slitiny, volba kalicího prostředí a předchozí historie materiálu společně určují, který mechanismus v konkrétním místě převládne.

![Schéma zobrazující smršťování chladnějšího povrchu oceli kolem teplejšího jádra během kalení](/images/uploads/2de32911-7d9e-4383-ada8-c336ccac9605/wiki-inline-a-cross-section-of-a-steel-bar-showing-surface-to-core-cooling-thermal-contracti-1520x1920.jpg)[](/images/uploads/2de32911-7d9e-4383-ada8-c336ccac9605/wiki-inline-a-cross-section-of-a-steel-bar-showing-surface-to-core-cooling-thermal-contracti-2027x2560.avif "Zvětšit obrázek — Schéma zobrazující smršťování chladnějšího povrchu oceli kolem teplejšího jádra během kalení")Surface-to-core temperature differences create changing thermal stress during cooling.

### Tepelné zbytkové napětí

Tepelné zbytkové napětí vzniká v důsledku nerovnoměrného ohřevu nebo ochlazování. Ocel se při ohřevu rozpíná a při ochlazování smršťuje, avšak teplota součásti se nemění ve všech místech stejnou rychlostí. Povrch reaguje jako první, zatímco jádro zaostává. Tenká hrana, masivní náboj, ostrý roh a vyvrtaný otvor mají každý odlišný teplotní průběh.

Během ochlazování má horký vnitřek tendenci zůstat roztažený, zatímco chladnější povrch se smršťuje. Povrch je omezován teplejším jádrem, a může proto přejít do tlakových napětí, zatímco v jádře vzniká tahové napětí. Pokud se povrch ochladí a smrští až poté, co se jádro již ochladilo, může se rozložení napětí obrátit. Konečné znaménko napětí není určeno samotným slovem „kalení“. Závisí na časové posloupnosti, místní geometrii, tepelné vodivosti, intenzitě kalení a na tom, zda během přechodového děje došlo k plastickému tečení.

Ohřev může vytvořit opačnou posloupnost. Rychle ohřívaný povrch se pokouší rozpínat proti chladnějšímu vnitřku a může se v tlaku plasticky deformovat. Při pozdějším ochlazování může takto plasticky změněný povrch zanechat tahové zbytkové napětí. Rovnoměrnost teploty v peci, způsob uložení vsázky, orientace součásti a kontakt s přípravky ovlivňují teplotní pole ještě před zahájením kalení.

Publikace ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* uvádí minimalizaci deformace a nežádoucích zbytkových napětí jako hlavní kritéria návrhu tepelného zpracování. Praktický význam je zřejmý: teplotní gradienty nejsou pouze otázkou regulace teploty. Vytvářejí nekompatibilní deformace a ty se mohou stát trvalými, pokud místní napětí překročí mez kluzu závislou na teplotě.

Nerovnoměrné teplotní gradienty během kalení jsou v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* označeny za hlavní zdroj deformace při kalení. Dlouhý štíhlý hřídel se může ohnout, protože jedna strana chladne rychleji než druhá. Kroužek se může stát oválným, protože jeho vnější a vnitřní povrch si vyměňují teplo různou rychlostí. Deska se může prohnout do tvaru misky, pokud její plochy chladnou nerovnoměrně. Zbytkové napětí se může během několika milimetrů měnit z tahového na tlakové, takže jediná průměrná hodnota vypovídá jen málo o riziku vzniku trhlin nebo o pozdějším pohybu při obrábění.

### Transformační zbytkové napětí

Transformační zbytkové napětí vzniká při změně krystalové struktury oceli, a tedy při změně jejího objemu a mechanické odezvy. Při ochlazování z austenitu se mohou různé oblasti přeměňovat na ferit, perlit, bainit nebo martenzit při různých teplotách. Martenzitická přeměna vytváří významnou transformační deformaci, přičemž velikost a směr rozměrové změny závisí také na obsahu uhlíku, legujících prvcích, zbytkovém austenitu a podílu jednotlivých složek.

Povrch kalené součásti se často ochladí a přemění dříve než jádro. Pokud se na povrchu vytvoří martenzit, zatímco vnitřek zůstává austenitický, povrch se rozpíná, zatímco jádro je stále horké a relativně poddajné. Později se přemění a rozpíná jádro, ale již zakalený povrch tomuto pohybu brání. Stav napětí se proto může během kalení měnit. Povrch, který byl zpočátku v tahu, může být na konci v tlaku, nebo naopak, v závislosti na načasování přeměny a míře omezení.

Proto nelze transformační napětí považovat za jednotnou korekci typu „roztažení martenzitu“. Transformační deformace je lokální a okolní materiál může mít jinou teplotu, podíl fází i mez kluzu. Cementovaná vrstva nad měkčím jádrem se chová jinak než průběžně prokalený průřez. U cementovaných, nitridovaných a indukčně kalených součástí rovněž vznikají strmé gradienty mikrostruktury a deformace. Zbytkový austenit se může později přeměňovat během popouštění, provozu, broušení nebo skladování, což vede k dalším rozměrovým změnám a relaxaci napětí.

Přeměna ovlivňuje napětí také prostřednictvím transformační plasticity. V oblasti, která se přeměňuje, může při působení vnějšího nebo vnitřně vzniklého napětí docházet k plastické deformaci při napětích nižších, než je běžná mez kluzu. Přeměna tak absorbuje část vnucené deformace, ne však nutně způsobem, který zachová původní tvar. Lokální transformační plasticita může přispívat k ohýbání, ovalitě a změnám přímosti.

Přehledová studie z roku 2022 „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review“, publikovaná v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance*, popisuje zbytkové napětí a deformaci jako výsledky vzájemného působení přenosu tepla, fázové přeměny, geometrie, tloušťky průřezu, volby kalicího prostředí a intenzity kalení. Tato interakce je zásadní. Rychlejší kalicí prostředí může současně zvýšit teplotní gradient, změnit posloupnost přeměn a vytvořit tvrdší povrch; oddělit tyto účinky dodatečně je obtížné.

### Napětí vznikající při kalení a plastické deformaci

Třetím zdrojem je napětí vznikající tehdy, když místní plastické tečení, deformační zpevnění nebo omezení brání kompatibilní deformaci. Ocel nemá během tepelného zpracování stejnou pevnost ve všech místech. Mez kluzu se výrazně mění s teplotou a mikrostrukturou. Austenit při kalicí teplotě se může snadno deformovat, zatímco nově vzniklý martenzit je mnohem pevnější a méně tvárný. V určité části průřezu proto může docházet k plastickému tečení, zatímco jiná část zůstává elastická.

Představme si povrchovou vrstvu, která se během ochlazování smršťuje, ale horké jádro jí v tom brání. Pokud napětí na povrchu překročí jeho okamžitou mez kluzu, vznikne trvalá plastická deformace. Když se teplotní pole později vyrovná, elastické zotavení již tuto plastickou deformaci neodstraní. Zbývající elastický nesoulad představuje zbytkové napětí. Pokud se jedna strana součásti plasticky deformuje více než druhá, projeví se tento nesoulad kromě napětí také jako deformace.

Kalení tento účinek zesiluje tím, že zafixuje místní rozdíly. Martenzitická vrstva může bránit smrštění méně zakaleného jádra; měkké jádro může část deformace absorbovat, ale pokračující ochlazování a přeměna mohou rozložení napětí obrátit. Rovnoměrnost kalení, intenzita míchání, teplota kalicího prostředí a umístění součásti určují, zda se jmenovitě shodné průřezy zakalí stejným způsobem. Konečné broušení může přidat další vrstvu napětí v blízkosti povrchu v důsledku místního ohřevu a mechanické deformace.

Časopis *International Journal of Materials and Product Technology* připisuje zbytková napětí v kalené oceli plastické deformaci v mikroměřítku a pojednává o účincích podmínek kalicího prostředí, povrchového a vrstveného kalení a konečného broušení. Tento mechanismus vysvětluje, proč nelze předpokládat, že měření napětí na povrchu reprezentují stav v jádře. Vysvětluje také, proč musí být odstraňování napětí popouštěním, tepelným zpracováním nebo řízenými mechanickými metodami voleno s ohledem na stav materiálu a požadované rozměry.

Tyto tři zdroje se neustále překrývají. Tepelné napětí mění průběh přeměny; transformační deformace mění tepelné a mechanické omezení; místní plastické tečení redistribuuje obojí. Historie odlévání, deformační zpracování při kování, segregace, obrábění a předchozí normalizační nebo žíhací zpracování mění výchozí stav. Zprávy University of Iowa a U.S. Department of Energy spojují tato zbytková napětí s deformacemi, praskáním, přepracováním, opravami svarů, rozměrovými chybami a sníženými provozními vlastnostmi. Archiv materiálových dat NIST dále uvádí, že neodstraněné napětí po kalení může při obrábění způsobit zkroucení nebo prohnutí, když odstranění materiálu naruší původní rovnováhu.

Platné posouzení proto musí zohlednit, kde je napětí tahové nebo tlakové, jak se jeho velikost mění v průřezu a jak se mění od jednoho konstrukčního prvku k druhému. Odpověď může být odlišná na povrchu, na rozhraní vrstvy a jádra, uprostřed tloušťky, ve vývrtu, v zaoblení i na čelní ploše. „Kalicí napětí“ je označení procesu, nikoli mechanismu.

## 3. Ohřev: první fáze rizika deformace

Deformace nezačíná ve chvíli, kdy ocelová součást vstoupí do kalicího média. Začíná okamžikem, kdy různé oblasti součásti dosáhnou různých teplot a pokusí se rozšířit o různou míru. Vzniklé napětí může zůstat pružné, nebo může překročit místní mez kluzu a způsobit trvalou deformaci. V každém případě ohřevový cyklus určuje mechanický stav, který později interaguje s přeměnou a kalením.

Zbytkové napětí a deformace spolu souvisejí, nejsou však totožné. Zbytkové napětí je samovyvažující se napětí, které zůstává uvnitř součásti poté, co pominou vnější zatížení a teplotní rozdíly. Deformace je změna rozměrů nebo tvaru. Součást může zachovávat značné zbytkové napětí bez zjevného zkroucení, zatímco malé množství místní plastické deformace může způsobit měřitelné ohnutí nebo ztrátu kruhovitosti. ASM International označuje tepelné, transformační a kalicí zbytkové napětí za samostatné příspěvky u kalených a popuštěných ocelí a považuje minimalizaci deformací a nežádoucího zbytkového napětí za hlavní kritéria návrhu tepelného zpracování.

### Teplotní gradienty během ohřevu v peci

Pec může mít stabilní nastavenou teplotu, zatímco obrobek zůstává daleko od tepelné rovnoměrnosti. Povrch absorbuje teplo jako první; jádro reaguje později, protože teplo musí vést skrz průřez. Tenká hrana, zub, žebro nebo nálitek se může přiblížit teplotě v peci, zatímco silný náboj nebo střed desky jsou stále relativně chladné. Horká oblast se snaží rozpínat, ale chladnější vnitřek ji omezuje. Během ohřevu tak vzniká proměnlivé rozložení tlakových a tahových napětí.

Toto rozložení není neměnné. V počáteční fázi ohřevu je teplejší povrch obvykle vystaven tlaku chladnějším jádrem, zatímco jádro je vystaveno tahu. Jak teplotní fronta postupuje směrem dovnitř, rozložení napětí se mění a při dostatečně velkém teplotním rozdílu může dojít k místnímu plastickému tečení. Když se součást později teplotně vyrovná, dřívější plastické deformace nezmizí. Stanou se součástí výchozího stavu pro kalení.

Rychlost ohřevu proto hraje významnou roli, i když je konečná austenitizační teplota shodná. Rychlý nárůst teploty může zvětšit rozdíly teplot mezi povrchem a jádrem, zatímco stupňovitý ohřev nebo výdrž při předehřevu je může snížit. To však neznamená, že pomalý ohřev je univerzálním řešením: dlouhodobé vystavení může ovlivnit velikost zrna, oduhličení, rozpouštění karbidů nebo oxidaci a přípravky mohou součást po celý cyklus nadále omezovat. Vhodný režim závisí na jakosti oceli, tloušťce průřezu, atmosféře v peci a přípustné změně rozměrů.

Přehledová studie autorů publikovaná v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* popisuje deformaci jako interakci mezi přenosem tepla, fázovou přeměnou, geometrií, tloušťkou průřezu, volbou kalicího média a intenzitou kalení. Ohřev je prvním článkem tohoto řetězce. Nerovnoměrné teplotní pole při výstupu z pece poskytuje kalení nerovnoměrný tepelný a mechanický výchozí stav.

### Omezení tepelné roztažnosti a geometrie součásti

Volná, homogenní tyč se může rozpínat, aniž by vznikalo významné vnitřní napětí. Skutečné součásti jsou zřídka volné nebo homogenní. Přípravek může upínat přírubu, podpírat hřídel ve dvou bodech nebo bránit radiálnímu pohybu prstence. Třecí síly v místě kontaktu mohou udržovat jednu oblast na místě, zatímco jiná se rozpíná. Sousední prvek může působit jako vnitřní omezení, i když není přítomen žádný vnější přípravek.

Geometrie tyto účinky koncentruje. Silný nálitek spojený s tenkou stojinou se ohřívá pomalu a rozpíná se podle jiného časového průběhu. Žebro může omezovat desku v jednom směru a vyvolat ohyb namísto prostého lineárního růstu. Otvory vytvářejí volné povrchy a snižují místní tuhost; řada otvorů může způsobit, že se jedna strana součásti ohřívá a rozpíná odlišně od druhé. Drážky pro pera, štěrbiny, zuby, ostré rohy a náhlé změny průřezu vytvářejí místní teplotní gradienty a koncentrace napětí. Součást, která na pohled působí symetricky, se přesto může deformovat, pokud je její rozložení hmoty asymetrické nebo pokud nejsou její podpěrné body rozmístěny symetricky.

Dlouhé štíhlé součásti jsou obzvláště citlivé na malé rozdíly v roztažnosti podél protilehlých ploch. Mírně teplejší plocha může vyvolat zakřivení ještě před jakoukoli fázovou přeměnou. Prstence a kotouče mohou změnit průměr nebo ztratit rovinnost, když jejich okraje a středy procházejí odlišným teplotním vývojem. Velké odlitky a těžké výkovky mohou rovněž obsahovat oblasti, které reagují natolik pomalu, že zůstávají chladné, zatímco tenké výstupky se již nacházejí blízko austenitizačního rozmezí.

Přípravky omezují pohyb, zároveň však přenášejí zatížení do součásti. Tuhé upnutí může potlačit jeden zje

vný způsob deformace, ale zvýšit uložené napětí, které se uvolní při odlehčení nebo kalení. Přípravek je proto třeba považovat za součást tepelného a mechanického systému, nikoli pouze za zařízení pro udržení rozměrů. Důraz přehledové studie z roku 2022 na geometrii a tloušťku průřezu se vztahuje na konstrukci přípravku stejně jako na samotnou ocel.

### Předchozí napětí, historie odlitku a předchozí zpracování

Součást vstupující do pece již má za sebou určitou historii. Svařování zanechává napětí způsobená tepelnou kontrakcí a může vytvořit tepelně ovlivněnou oblast s odlišnou mikrostrukturou a pevností ve srovnání se základní ocelí. Kování vytváří směrový tok materiálu, nerovnoměrné chladnutí a možné zbytkové napětí mezi silně a slabě tvářenými oblastmi. Odlévání může zanechat nerovnoměrnou strukturu zrn, segregaci, pórovitost, poškození způsobené trhlinami za tepla a zbytkové napětí vzniklé tuhnutím a chladnutím. Tvářením za studena se zvyšuje hustota dislokací a ukládá se energie, zatímco obrábění může odstranit napjatou povrchovou vrstvu a změnit rovnováhu sil v průřezu.

Technická práce University of Iowa zaměřená na ocelové odlitky zdůrazňuje, že při předpovídání konečných rozměrů a zbytkových napětí je nutné zohlednit historii odlévání. Tento závěr přesahuje oblast odlitků: model tepelného zpracování, který začíná u beznapěťového homogenního polotovaru, může přehlédnout důvod, proč se skutečná součást ohýbá. U.S. Department of Energy rovněž spojuje tepelná a zbytková napětí v ocelových odlitcích s deformacemi, praskáním, opravami svarů, přepracováním, rozměrovými chybami a sníženou provozní výkonností.

Zvláštní pozornost si zaslouží předchozí obrábění. Publikace *Metallurgy of Heat Treatment*, uchovávaná v archivu materiálových dat organizace National Institute of Standards and Technology, uvádí, že neodstraněná napětí po kalení mohou během obrábění způsobit zkroucení, protože odebrání materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí. Stejný princip může působit i během ohřevu: povrch vystavený tlaku nebo tahu může reagovat odlišně od vnitřku a cyklus v peci může tuto nerovnováhu odhalit.

Odstranění napětí, normalizační žíhání, řízený předehřev nebo mezilehlá operace obrábění mohou riziko snížit, žádný z těchto postupů však automaticky nevymaže historii materiálu. Ohřev může prostřednictvím zotavení nebo plastického tečení uvolnit část dřívějšího napětí a současně vytvářet nové tepelné napětí. V okamžiku zahájení kalení může součást již obsahovat nerovnoměrné teplotní pole, změněnou mikrostrukturu a nerovnoměrný stav napětí. Tyto podmínky pomáhají určit, zda pozdější přeměna způsobí neškodnou změnu rozměrů, viditelnou deformaci, nebo praskání.

## 4. Austenitizace a metalurgický stav před kalením

Kalení nezačíná ponořením do oleje, polymeru, vody nebo plynu. Začíná metalurgickým stavem vytvořeným během ohřevu. Velikost austenitického zrna, rozložení uhlíku, rozpuštěné legující prvky, výchozí mikrostruktura, chemické složení povrchu, rovnoměrnost teploty a teplota v průřezu společně určují, kdy začne přeměna a jak velké napětí může součást absorbovat. Stav bezprostředně před kalením proto řídí jak sled přeměn, tak napětí, která vznikají během chladnutí součásti.

ASM International identifikuje tři původce zbytkového napětí při tepelném zpracování oceli: tepelné, transformační a kalicí napětí ([ASM Handbook, „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels“](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels“")). V praxi se tyto kategorie překrývají. Teplotní gradient vytváří rozdílné smršťování, transformační gradient přidává lokální změnu objemu a výsledný nesoulad může vyvolat plastickou deformaci. Součást může po kalení vykazovat přijatelné rozměry, a přesto obsahovat tolik neuvolněného napětí, že se při obrábění zkroutí, protože odstranění materiálu mění rovnováhu vnitřních sil, jak je popsáno v publikaci *Metallurgy of Heat Treatment* v archivu materiálových dat National Institute of Standards and Technology.

### Vznik a homogenizace austenitu

Jak stav austenitizace ovlivňuje stav před kalením.
| Stav austenitizace | Pravděpodobný metalurgický výsledek | Důsledek pro deformaci |
|---|---|---|
| Nedostatečný ohřev nebo výdrž | Nerozpuštěné karbidy a lokální změny obsahu uhlíku | Nerovnoměrná přeměna a deformace |
| Řízený ohřev a výdrž | Rovnoměrnější stav austenitu | Rovnoměrnější odezva při ochlazování |
| Nadměrná teplota nebo příliš dlouhé vystavení | Zhrubnutí austenitického zrna | Změněné načasování přeměny a mechanická odezva |

U podeutektoidní oceli umožňuje ohřev nad příslušnou horní kritickou teplotu přeměnu feritu a perlitu na austenit. U eutektoidních a nadeutektoidních ocelí se výchozí složky a požadovaná teplota liší, avšak stejný praktický problém přetrvává: austenit musí vzniknout s řízeným rozložením uhlíku a bez nadměrného růstu zrn. Austenitizace není pouze otázkou dosažení nastavené teploty pece. Povrch může dosáhnout cílové teploty, zatímco jádro je stále chladnější, zejména u tlustého průřezu nebo součásti s náhlými změnami tloušťky.

Uhlík se musí rozpustit z cementitu a dalších karbidů, aby vzniklo austenitické složení dostupné pro následnou přeměnu. Pokud je ohřev nedostatečný nebo je výdrž příliš krátká, zůstávají nerozpuštěné karbidy a lokální rozdíly v obsahu uhlíku. Pokud je ohřev příliš intenzivní nebo dlouhý, mohou austenitická zrna zhrubnout. Oba stavy mění okamžik přeměny i mechanickou odezvu během kalení. Hrubozrnný austenit obvykle umožňuje vznik transformačních produktů za jiných podmínek než jemnozrnný austenit, zatímco rozdíly v lokálním chemickém složení znamenají, že sousední oblasti nemusí začít nebo dokončit přeměnu současně.

Homogenizace se týká také teploty, nejen chemického složení. Příruba, patka zubu, otvor a tenký okraj mohou mít v téže vsázce pece odlišnou tepelnou historii. Při kalení ztrácí tenká oblast obvykle teplo rychleji, zatímco vnitřek masivního průřezu zůstává horký a smršťuje se později. Přehledová studie autorů publikace *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels*, vydaná v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance*, zdůrazňuje, že přenos tepla, fázová přeměna, geometrie, tloušťka průřezu, volba kalicího prostředí a intenzita kalení se vzájemně ovlivňují. Považovat kalení za jedinou hodnotu rychlosti ochlazování zakrývá gradienty, které vytvářejí deformaci.

Austenit také uchovává materiálovou historii součásti. Předchozí licí segregace, tok materiálu při kování, tepelné cykly při svařování, páskovité struktury a dřívější normalizační nebo kalicí úpravy mohou vytvářet oblasti s odlišnou velikostí zrn nebo rozložením karbidů. Zprávy University of Iowa a U.S. Department of Energy o ocelových odlitcích ukazují, proč výrobní historie patří do predikce rozměrů: tepelné a zbytkové napětí vznikající při ohřevu a chladnutí může přispívat k deformaci, praskání, přepracování, opravám svařováním a snížení provozních vlastností.

### Chemické složení slitiny a prokalitelnost

Prokalitelnost **Prokalitelnost** Schopnost průřezu oceli vytvořit do stanovené hloubky martenzit při daných podmínkách ochlazování.

Uhlík ovlivňuje jak dosažitelnou tvrdost martenzitu, tak teplotu a kinetiku přeměny. Legující prvky, jako jsou mangan, chrom, molybden a nikl, obecně posouvají průběh přeměny a mohou zvyšovat prokalitelnost, což znamená, že větší průřez může při stanovených podmínkách ochlazování vytvořit martenzit než ocel s nižší prokalitelností. Prokalitelnost není totéž co tvrdost. Jakost oceli může mít vysokou prokalitelnost, avšak k dosažení určité tvrdosti může vyžadovat konkrétní obsah uhlíku a podmínky kalení.

Toto rozlišení je důležité z hlediska napětí. Při objemovém kalení se povrch ochlazuje jako první a může se přeměnit na martenzit, zatímco jádro zůstává austenitické. Povrch má pak během martenzitické přeměny tendenci expandovat, zatímco jádro se může stále tepelně smršťovat. Pozdější přeměna jádra může původní stav napětí zvrátit nebo zesílit. Konečné zbytkové napětí závisí na sledu přeměn, omezení deformace, plastickém toku a transformačních přetvořeních, nikoli pouze na tvrdosti.

Chemické složení slitiny tento sled mění tím, že ovlivňuje teploty začátku přeměny, rychlosti přeměny, stabilitu karbidů a rychlost ochlazování potřebnou k potlačení difuzních produktů. Může proto měnit místa vzniku perlitu, bainitu, martenzitu nebo zbytkového austenitu v průřezu. Geometrie je stále důležitá. Stejná jakost oceli a nominálně stejné tepelné zpracování mohou vést k odlišným rozložením napětí v tenkém prstenci, hřídeli s osazením a masivním odlitku, protože se liší odvod tepla a mechanické omezení deformace.

Intenzivnější kalení není univerzálně nejlepším způsobem, jak omezit deformaci. Limited evidence

Publikace ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* označuje minimalizaci deformace a nežádoucího zbytkového napětí za hlavní kritéria návrhu tepelného zpracování. Toto rozhodnutí musí vycházet ze společného posouzení prokalitelnosti oceli a tloušťky průřezu součásti. Zvýšení intenzity kalení může podpořit hlubší prokalení, zároveň však může zvýšit teplotní gradienty a plastické přetvoření. Pomalejší nebo rovnoměrnější kalení může omezit deformaci, avšak při něm může v jádře proběhnout přeměna odlišná od požadovaného mikrostrukturního cíle. Univerzální řešení v podobě „intenzivnějšího kalení“ neexistuje.

### Cementování, nitridování a gradienty hloubky vrstvy

Povrchové a chemicko-tepelné úpravy vytvářejí odlišný problém než objemové kalení, protože materiál je záměrně nehomogenní. Při cementování proniká uhlík při zvýšené teplotě do povrchu a vytváří gradient koncentrace uhlíku od vrstvy směrem k jádru. Po austenitizaci a kalení mohou mít vrstva a jádro odlišné teploty přeměny, odezvu z hlediska prokalitelnosti, obsah uhlíku v martenzitu, podíl zbytkového austenitu a transformační přetvoření. Hloubka vrstvy proto není pouze profilem tvrdosti; je také profilem přetvoření a napětí.

Jádro se může přeměňovat později než vysokouhlíková vrstva a obě oblasti se navzájem omezují při smršťování a přeměně. Geometrie součásti určuje, zda tato interakce vytvoří užitečné tlakové napětí na povrchu, nežádoucí tahové napětí v jiné oblasti, ohyb, ovalitu nebo lokální praskání. Konečné broušení může tato napětí odhalit nebo přerozdělit. Časopis *International Journal of Materials and Product Technology* uvádí mikroměřítkovou plastickou deformaci, podmínky kalicího prostředí, povrchové a chemicko-tepelné kalení a konečné broušení jako faktory ovlivňující zbytkové napětí v kalené oceli ([část II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "část II")).

Nitridování se liší tím, že dusík se zavádí při relativně nízkoteplotním feritickém procesu, při němž vznikají fáze obsahující dusík a nitridy legujících prvků, místo aby se využíval stejný mechanismus cementované a kalené vrstvy. Jeho rozměrová odezva může být menší než u intenzivního cyklu cementování a kalení, avšak není automaticky rozměrově neutrální. Tloušťka sloučeninové vrstvy, hloubka difuze, předchozí stav jádra, zbytkové napětí a lokální geometrie vyžadují samostatné posouzení. \[3\] \[3\] [**Distortion and Residual Stress**](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf). Worcester Polytechnic Institute report authors. Worcester Polytechnic Institute report, 2021.

Samostatnou analýzu deformace si zaslouží také tepelné zpracování ve vakuu. Vakuum mění povrchové reakce, riziko oduhličení, přenos tepla v peci a volbu tlaku a průtoku plynu při plynovém kalení; neodstraňuje však teplotní gradienty ani transformační přetvoření. Zpráva Worcester Polytechnic Institute popisuje deformaci při kalení jako vzájemně propojený problém zahrnující přenos tepla, fázovou přeměnu, napětí, přetvoření a vývoj mikrostruktury. Tento popis platí stejně pro objemově kalené, cementované, nitridované i vakuově zpracované součásti. Metalurgický stav před ochlazováním stanovuje počáteční podmínky; kalení pouze odhalí, jak tyto podmínky vzájemně působí s tvarem a omezením deformace.

## 5. Kalení jako spřažený problém přenosu tepla a transformace

Tepelné zpracování je sled, v němž se vzájemně ovlivňují výchozí metalurgický stav, kalení a popouštění.

Kalení se často popisuje jako rychlý krok ochlazování, při němž se austenit mění na martenzit. Takový popis je neúplný. Ocelová součást se neochlazuje po celém objemu stejnou rychlostí a k transformaci nedochází všude při stejné teplotě ani ve stejném čase. Její konečné rozměry a rozložení zbytkových napětí vznikají vzájemným působením přenosu tepla, fázové transformace, elastického omezení, plastického toku, geometrie, tloušťky průřezu, historie materiálu a místních podmínek kalicího média.

Přehledová práce z roku 2022 „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels“ v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* pojednává o těchto proměnných jako o vzájemně propojeném systému, nikoli jako o nezávislých parametrech procesu. Ke stejnému závěru dospívá také zpráva Worcester Polytechnic Institute *Distortion and Residual Stress*: deformace po kalení propojuje přenos tepla, fázovou transformaci, napětí, deformaci a vývoj mikrostruktury. To je důležité, protože změna jedné proměnné může zlepšit jednu část procesu a současně zhoršit jinou.

### Rozdíly v ochlazování mezi povrchem a jádrem

Když horká ocelová součást vstoupí do kalicího média, povrch ztrácí teplo jako první. Teplo pak proudí z teplejšího jádra ke chladnějšímu povrchu, takže se teplotní pole v průřezu nepřetržitě mění. Tenká hrana se může přiblížit teplotě kalicího média, zatímco střed tlustého ozubeného kola, hřídele, zápustky nebo odlitku zůstává austenitický. Čím větší je tloušťka průřezu, tím déle tento rozdíl přetrvává.

Rozdíl teplot mezi povrchem a jádrem vyvolává tepelnou deformaci. Chladnější povrch se snaží smrštit, zatímco teplejší vnitřek tomuto smrštění brání. Při vysoké teplotě má ocel relativně nízkou mez kluzu, takže část tohoto nesouladu může být vyrovnána plastickou deformací. S poklesem teploty se schopnost materiálu plasticky téct snižuje a napětí se může v součásti „uzamknout“. Výsledná deformace může být patrná jako prohnutí, ovalita, zkroucení nebo změna průměru otvoru; zbytkové napětí může přetrvávat i tehdy, když naměřené rozměry vypadají přijatelně.

Transformace přidává druhou deformaci závislou na čase. U uhlíkové nebo nízkolegované oceli se povrch může změnit z austenitu na martenzit, zatímco jádro je stále tvořeno horkým austenitem. Martenzitická transformace obecně způsobuje rozpínání, zatímco ochlazování netransformovaného austenitu vede k tepelné kontrakci. Povrch, který se začne rozpínat jako první, je omezen jádrem. Později, když transformuje jádro, je jeho rozpínání omezeno již transformovanou a chladnější vnější oblastí. V závislosti na jakosti oceli, průběhu ochlazování a teplotě, při níž jednotlivé oblasti transformují, se může během kalení měnit i znaménko napěťového stavu.

Pokud se některá oblast ochlazuje příliš pomalu nebo pokud ocel nemá dostatečnou prokalitelnost, může místo martenzitu vzniknout bainit nebo perlit. Jejich transformační deformace a mechanické vlastnosti se od vlastností martenzitu liší. Zbytkový austenit může během následného ochlazování, popouštění, provozu nebo broušení způsobit další rozměrovou změnu. Dvě místa se stejnou konečnou tvrdostí proto mohou mít rozdílná zbytková napětí, pokud prošla odlišnými tepelnými a transformačními průběhy.

Přehledová práce v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* označuje nerovnoměrné teplotní gradienty za hlavní zdroj deformací po kalení. Toto tvrzení by nemělo být zjednodušeno na konstatování, že „povrch se ochlazuje rychleji“. Podstatný je vyvíjející se gradient a mechanické omezení, které s ním souvisí. Obojí je řízeno geometrií. Ostrý roh má na jednotku objemu větší povrch než střední žebro, zatímco slepý otvor, drážka pro pero, tenká příruba nebo přerušovaný povrch mění místní přístup tekutiny a tok tepla. Také cementovaná vrstva na nízkouhlíkové oceli, například u cementované součásti z oceli SAE 8620, transformuje odlišně od jádra s nižším obsahem uhlíku. Průřez z oceli AISI 4140 prokalený v celém objemu představuje jiný tepelný a transformační problém než uvedená povrchově kalená součást.

### Intenzita a rovnoměrnost kalení

Názvy kalicích médií samy o sobě nedefinují průběh ochlazování.
| Druh kalicího média | Obecná charakteristika procesu | Hlavní oblast řízení |
|---|---|---|
| Voda | Rychlý odvod tepla | Výrazné gradienty a tepelný šok |
| Polymerní roztok | Průběh ochlazování se mění s koncentrací a mícháním | Rovnoměrnost koncentrace a proudění |
| Olej | Obecně pomalejší ochlazování | Teplota, viskozita a cirkulace |
| Plyn | Nižší intenzita při řízeném směrovém proudění | Tlak, rychlost a doba působení |
| Roztavená sůl | Stupňovaná nebo řízená tepelná odezva | Stav lázně a načasování přenosu |

Intenzita kalení popisuje schopnost chladicího systému odvádět teplo z oceli. Grossmannova analýza vyjadřuje intenzitu ochlazování parametrem *H*, avšak *H* není univerzální materiálová konstanta. Závisí na kalicím médiu, jeho teplotě, pohybu, stavu povrchu, orientaci součásti a vztahu mezi tekutinou a povrchem součásti. Kalení ve vodě, polymerním roztoku, oleji, plynu nebo roztavené soli může vytvářet značně odlišné křivky ochlazování a stejné nominální kalicí médium se může v různých nádržích chovat odlišně.

#### Varování týkající se kalení

Volte intenzitu kalení s ohledem na prokalitelnost oceli, tloušťku průřezu, geometrii a požadovanou mikrostrukturu. Rychlejší ochlazování může zlepšit prokalení jádra, zároveň však zvyšuje gradienty a riziko vzniku trhlin.

Vyšší intenzita zvyšuje rychlost ochlazování a může podpořit vznik martenzitu v jádře prokalitelného průřezu. Může také zvýšit rozdíl teplot mezi povrchem a jádrem, zejména pokud je přístup tekutiny nerovnoměrný. To může zvýšit tepelné napětí a deformaci. Pomalejší kalení však není automaticky bezpečnější: pomalé ochlazování může v některých oblastech umožnit vznik perlitu nebo bainitu, prodloužit dobu, po kterou přetrvávají teplotní rozdíly, a způsobit nesoulad transformací mezi sousedními částmi. Neexistuje univerzální pravidlo, podle něhož by intenzivnější kalení vždy zvyšovalo nebo vždy snižovalo deformaci.

Rozhodující otázkou je, jak celý průběh ochlazování působí ve vzájemné interakci s ocelí a součástí. Slitina s vysokou prokalitelností může dosáhnout požadované transformace v jádře při mírně intenzivním kalení, zatímco ocel s nižší prokalitelností může vyžadovat rychlejší ochlazování. Intenzivní kalení může u jedné geometrie snížit deformaci zkrácením doby, během níž může probíhat rozdílné ochlazování, ale u jiné geometrie ji může zvýšit vytvořením většího okamžitého gradientu nebo vznikem nerovnoměrného varu. Přehledová práce z roku 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* výslovně spojuje deformaci a zbytkové napětí se vzájemným působením volby kalicího média, intenzity kalení, geometrie, tloušťky průřezu, přenosu tepla a fázové transformace.

Rovnoměrnost je proto stejně důležitá jako nominální intenzita. Pokud je jedna strana desky vystavena silnému proudění kapaliny, zatímco opačná strana leží v nehybné zóně, mohou obě strany transformovat v odlišných časech. U dlouhého hřídele se mohou podél jeho délky vytvořit rozdílné rychlosti ochlazování v důsledku proudění v nádrži, přípravků, koncových účinků nebo změn exponované plochy. Příliš těsně uložené součásti se mohou vzájemně odstínit. Koše, stojany, masky a kontaktní místa mohou vytvářet místní rozdíly v přenosu tepla, které jsou dostatečně velké na to, aby změnily tvrdost i tvar. \[4\] \[4\] [**Metallurgy of Heat Treatment**](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf). Authors of Metallurgy of Heat Treatment. National Institute of Standards and Technology materials-data archive.

Zbytkové napětí není synonymem deformace. Součást může obsahovat značné samovyvážené napětí a přitom vykazovat jen malou okamžitou rozměrovou změnu, zatímco jiná součást se může viditelně deformovat, protože menší nerovnováha napětí vyvolá plastický tok. Tento rozdíl je důležitý při obrábění. Publikace *Metallurgy of Heat Treatment*, archivovaná National Institute of Standards and Technology, uvádí, že neodstraněná napětí po kalení mohou způsobit zkřivení, pokud úběr materiálu naruší původní rovnováhu napětí. Přímá součást po kalení proto nemusí být nutně bez napětí.

### Teplota kalicího média, jeho pohyb a chování při varu

Kalicí médium odvádí teplo v několika fázích a tyto fáze jsou výrazně ovlivněny teplotou a pohybem kapaliny. Ve vodě nebo oleji může horký povrch oceli zpočátku vytvořit parní obal. Tato fáze filmového varu povrch izoluje a může jej ochlazovat méně účinně, než se očekává. Po zhroucení parní vrstvy může nukleační var odvádět teplo mnohem rychleji. Při nižších teplotách povrchu var slábne a hlavním mechanismem ochlazování se stává konvekce.

Parní film je kolem skutečné součásti jen zřídka rovnoměrný. Na povrchu orientovaném vzhůru může přetrvávat, u hrany se může zhroutit nebo se kolem rohu nepravidelně přerušovat. Tyto místní rozdíly vedou k nerovnoměrnému ochlazování. To je jeden z důvodů, proč může míchání snížit deformaci, přestože často zvyšuje průměrnou intenzitu ochlazování: pohyb narušuje parní obaly a zlepšuje rovnoměrnost. Nadměrný nebo nevhodně směrovaný pohyb však může vytvářet rozdílná místní proudová pole a zesílit ochlazování jedné plochy více než jiné.

Teplota kalicího média mění viskozitu, chování při varu, tepelnou kapacitu a stabilitu parního filmu. Studená voda může zajišťovat rychlý odvod tepla, ale může také vytvářet ostré gradienty a vysoký tepelný ráz. Teplejší olej se obvykle ochlazuje pomaleji, zatímco koncentrace polymeru mění rychlost ochlazování i přechod mezi varem a konvekcí. Kalení v plynu je méně intenzivní, ale při tepelném zpracování ve vakuu může poskytovat řízené směrové proudění. Správné srovnání musí vycházet z naměřených křivek ochlazování v relevantních místech, nikoli pouze z názvu kalicího média.

Důležitá je také konstrukce nádrže a pohyb součásti. Otáčení může vyrovnat obvodové ochlazování válcové součásti, avšak nevhodná rychlost otáčení může změnit odvod páry, aniž by odstranila rozdíly v axiálním směru. Součást spouštěná do nádrže může mít jinou tepelnou historii než součást ponořená celá najednou. Je nutné zohlednit místní přístup tekutiny k otvorům, zubům, prohlubním a kontaktním přípravkům.

ASM International označuje tepelná, transformační a kalicí zbytková napětí za odlišné přispívající faktory u kalených a popuštěných ocelí a v doporučeních pro návrh tepelného zpracování uvádí minimalizaci deformace a nežádoucích zbytkových napětí jako hlavní konstrukční kritéria. Splnění těchto kritérií vyžaduje řízení celého sledu kalení: teplotního pole mezi povrchem a jádrem, okamžiku a rozsahu transformace, odezvy napětí a plastické deformace i prostorové rovnoměrnosti odvodu tepla. Kalení není jedna rychlost ochlazování. Je to pohyblivá tepelná a metalurgická okrajová podmínka působící na omezenou a proměňující se pevnou látku.

## 6. Fázové přeměny a přeměnou vyvolané přetvoření

Ocel se neochlazuje jako homogenní elastické těleso. Během kalení může povrch projít oblastí přeměny, zatímco jádro zůstává austenitické; později se jádro přemění za jiného napěťového stavu a při jiné rychlosti ochlazování. Každá oblast proto prochází vlastní tepelnou a metalurgickou historií. Výsledné rozměry jsou určeny kombinovaným působením tepelné kontrakce, přetvoření při fázové přeměně, elastického napětí, plastického toku, geometrie a omezení deformace.

ASM International rozděluje zbytkové napětí po tepelném zpracování na tepelnou, transformační a kalicí složku. Tyto kategorie pomáhají popsat jednotlivé mechanismy, ve skutečné součásti však nejsou nezávislé. Teplotní gradient vytváří napětí; toto napětí mění přetvoření doprovázející přeměnu; přeměněná oblast mění svůj objem a tuhost, čímž následně přerozděluje napětí do okolního materiálu. Přehledová studie autorů práce *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review* z roku 2022, publikovaná v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance*, proto považuje přenos tepla, fázovou přeměnu, geometrii, tloušťku průřezu, volbu kalicího média a intenzitu kalení za vzájemně se ovlivňující proměnné, nikoli za samostatné korekční faktory.

### Začátek a dokončení přeměny v průřezu

U austenitu, který se během ochlazování přeměňuje, nejsou rozhodující teploty jednotné pro celou součást. Jde o lokální děje. Perlitická přeměna začíná při lokální teplotě začátku perlitu a končí při nižší teplotě; bainitická přeměna začíná při teplotě začátku bainitu, běžně označované Bs, a končí v blízkosti Bf. Martenzitická přeměna začíná při Ms a pokračuje s poklesem teploty směrem k teplotě dokončení tvorby martenzitu, Mf. Tyto teploty se mění v závislosti na chemickém složení slitiny, velikosti austenitického zrna, obsahu uhlíku, předchozím zpracování a rychlosti ochlazování; uvedené faktory zároveň ovlivňují vzniklý podíl jednotlivých fází.

Povrch tenkého průřezu může dosáhnout Ms, zatímco střed tlustého průřezu je stále nad oblastí bainitické nebo perlitické přeměny. Například u kalené součásti z oceli AISI 4140 může vnější vrstva vytvořit martenzit jako první a získat přetvoření při přeměně, zatímco horké jádro se stále tepelně smršťuje a zůstává poměrně poddajné. Když se jádro později přemění, je omezováno vytvrzenou skořepinou. Stejná jmenovitá ocel proto může obsahovat na povrchu martenzit, ve vnitřní části ochlazované pomaleji bainit nebo perlit a napříč přechodovou oblastí rozdílná zbytková napětí.

Diagramy přeměn znázorňují tuto časovou a teplotní konkurenci, nikoli pouze závislost na teplotě. Při dostatečně rychlém ochlazování může dráha kontinuálního ochlazování obejít perlitickou i bainitickou oblast, avšak tloušťka průřezu a odvod tepla určují, zda tato podmínka platí v celém objemu. Míchání, teplota kalicího média, vznik parního filmu, orientace součásti a lokální geometrie mění průběh ochlazování. Ostré rohy, otvory, tenké stojiny a zesílené náboje se neochlazují současně.

„Začátek přeměny“ označuje také začátek procesu vytvářejícího přetvoření, nikoli pouze změnu pozorovatelnou na mikrostruktuře. Před přeměnou může austenitická oblast přenášet tepelné napětí elasticky i plasticky. Jakmile se začne tvořit ferit, cementit, bainit nebo martenzit, mění se lokální modul pružnosti, mez kluzu, hustota a chování při tepelné roztažnosti. Dokončení přeměny neznamená, že ustal veškerý pohyb rozměrů nebo vývoj napětí: teplota se může dále měnit, u některých produktů může pokračovat redistribuce uhlíku a může zůstat nepřeměněný austenit.

Transformační plasticita **Transformační plasticita** Plastická deformace podporovaná fázovou přeměnou při působení vnějšího nebo vnitřně vzniklého napětí.

Transformační plasticita je dodatečné plastické přetvoření vznikající při fázové přeměně, k níž dochází za působení vnějšího nebo vnitřního napětí. Nevyžaduje, aby napětí bylo dostatečně vysoké k vyvolání běžného plastického toku v nepřeměněném austenitu. Přeměna mění deformační odezvu materiálu a napětí ovlivňuje směr nebo velikost výsledného přetvoření. Kroužek, deska nebo zub ozubeného kola se proto mohou během průchodu čela přeměny ohnout, zkroutit nebo změnit svůj průměr.

Tento mechanismus vysvětluje, proč spolu zbytkové napětí a deformace souvisejí, ale nejsou totožné. Zbytkové napětí je samovyvážené napěťové pole, které zůstává po ochlazení a odlehčení; deformace je trvalá změna tvaru nebo rozměrů. Napětí může existovat s jen nepatrnou viditelnou deformací, pokud jej geometrie a protilehlé oblasti vyvažují. Naopak transformační plasticita může přeměnit nerovnoměrné vnitřní napěťové pole ve zkroucení. Zpráva *Worcester Polytechnic Institute* popisuje deformaci při kalení jako vzájemně propojený problém zahrnující přenos tepla, fázovou přeměnu, napětí, přetvoření a vývoj mikrostruktury, což je přesnější popis než považovat deformaci pouze za problém kalicího média.

### Martenzit, bainit, perlit a zbytkový austenit

Martenzit je často nejvýznamnějším jednotlivým zdrojem přetvoření při kalení kalené oceli. Vzniká bezdifuzní smykovou přeměnou, takže uhlík zůstává uzavřen v přesycené tělesově centrované tetragonální struktuře, místo aby se pomalu rozděloval mezi ferit a cementit. Jeho vznik vede k rychlému zvětšení objemu a ke změně tvaru. Protože martenzit vzniká v určitém teplotním intervalu, nikoli v jediném okamžiku, mohou se různé části součásti přeměňovat za odlišných podmínek omezení deformace. Tvrdá martenzitická povrchová vrstva obklopující měkčí jádro je zvláště náchylná k přerozdělení napětí.

Bainit vzniká při teplotách pod perlitickou oblastí a nad oblastí začátku martenzitické přeměny, ačkoli přesné teplotní rozsahy závisí na chemickém složení slitiny a průběhu ochlazování. Horní a dolní bainit mají odlišnou morfologii i chování z hlediska přetvoření. Bainitická přeměna může vést k významné změně rozměrů, zejména pokud probíhá nerovnoměrně v tlustých nebo složitých průřezech. Může snížit podíl martenzitu a změnit výsledné rozložení napětí, neodstraňuje však deformaci způsobenou přeměnou.

Perlit vzniká kooperativním růstem feritu a cementitu při poměrně vyšších teplotách přeměny. Jeho přetvoření při přeměně se obecně přizpůsobuje po delší dobu než při tvorbě martenzitu, což umožňuje větší tepelné a plastické uvolnění. To však neznamená, že je perlit z hlediska rozměrů bezvýznamný. Pomalu ochlazené jádro, v němž vzniká perlit, zatímco povrch je již tvrdý, může působit omezení deformace skořepiny; vzniklé napětí se může později uvolnit při obrábění.

Zadržený austenit **Zadržený austenit** Austenit, který po ochlazení zůstává nepřeměněný a může se později přeměnit během popouštění, provozu, broušení nebo skladování.

Zbytkový austenit je austenit, který přetrvává pod pokojovou teplotou, protože nebylo dosaženo lokální teploty Mf, nebo proto, že jej stabilizují uhlík a legující prvky. Významné množství zbytkového austenitu mohou obsahovat vysokouhlíkové oceli, cementované povrchové vrstvy a silně legované oceli. Jeho přítomnost mění jak bezprostřední rozměry, tak pozdější rozměrovou stabilitu. Během provozu, popouštění, kryogenního zpracování, broušení nebo následného zatěžování se zbytkový austenit může přeměnit na martenzit nebo jiný produkt. Tato pozdější přeměna může zvětšit objem a změnit tvar po dokončení vlastního tepelného zpracování.

Tato opožděná změna je jedním z důvodů, proč nelze kontrolu rozměrů vždy omezit na výstup ze žíhací nebo kalicí pece. Součást může při počátečním měření vyhovět, a přesto se během popouštění nebo dokončovacího broušení rozměrově změnit. NIST ve své práci *Metallurgy of Heat Treatment* uvádí, že neodstraněná napětí po kalení mohou při obrábění způsobit zkroucení, protože odebírání materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí. Doporučení ASM pro návrh tepelného zpracování proto označují minimalizaci deformace a nežádoucího zbytkového napětí za hlavní konstrukční kritéria. Podíly fází, teploty přeměn a zbytkový austenit je nutné posuzovat společně s tloušťkou průřezu a rovnoměrností kalení, nikoli je dodatečně připojovat jako následné korekce.

## 7. Geometrie, tloušťka průřezu a konstrukce součásti

Geometrie určuje, jak rychle teplo vstupuje do ocelové součásti a jak rychle z ní odchází, kde začíná přeměna a do jaké míry se může každá oblast volně rozpínat nebo smršťovat. Stejné kalení aplikované na hřídel z AISI 4140 a na desku z AISI 4140 s žebry, náboji a slepými otvory nevytvoří stejné rozložení napětí. Stále záleží na jakosti oceli, prokalitelnosti, výchozí mikrostruktuře, rychlosti ohřevu, způsobu austenitizace a kalivu, avšak tvar průřezu rozhoduje o tom, jak se tyto proměnné rozloží v celé součásti.

ASM International identifikuje teplotní, transformační a kalicí zbytková napětí jako samostatné složky u kalených a popouštěných ocelí. Ve skutečné součásti však nezůstávají oddělená. Teplotní rozdíl vytváří teplotní deformaci; rozdíl v přeměně přidává transformační deformaci; okolní materiál obě deformace omezuje, čímž vzniká elastické napětí a v případě, že místní napětí překročí mez plasticity, také plastická deformace. Přehledová studie publikovaná v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* proto považuje přenos tepla, fázovou přeměnu, geometrii, tloušťku průřezu, volbu kaliva a intenzitu kalení za vzájemně působící faktory, nikoli za nezávislé vstupy.

![Schéma ocelového náboje a výztuhy znázorňující rozdílné rychlosti ochlazování v přechodu z tlusté do tenké části](/images/uploads/425cfc88-60d7-4be9-871c-da11bb2a3a2c/wiki-inline-a-steel-component-with-a-thick-hub-thin-web-and-filleted-transition-showing-diff-1920x1288.jpg)[](/images/uploads/425cfc88-60d7-4be9-871c-da11bb2a3a2c/wiki-inline-a-steel-component-with-a-thick-hub-thin-web-and-filleted-transition-showing-diff-1920x1288.avif "Zvětšit obrázek — Schéma ocelového náboje a výztuhy znázorňující rozdílné rychlosti ochlazování v přechodu z tlusté do tenké části")Section changes alter heat flow, transformation timing, and local restraint.

### Přechody z tlusté do tenké části a tepelná kapacita

Tlustá oblast obsahuje na jednotku plochy více tepelné hmoty než tenká oblast. Během ohřevu může tenká část dosáhnout austenitizační teploty jako první, zatímco jádro tlusté části zůstává chladnější. Během kalení se posloupnost určitým způsobem obrací: tenká oblast rychle ztrácí teplo, zatímco tlustá oblast si teplo uchovává a může pokračovat v přeměně ještě poté, co tenká oblast již ztvrdla. Jejich teplotní historie, doba přeměny, podíl martenzitu a místní objemové změny se proto mohou lišit.

Náhlý přechod mezi nábojem o průměru 40 mm a výztuhou o tloušťce 10 mm je klasickou oblastí omezení deformace. Výztuha se může smršťovat, zatímco náboj je stále horký a rozměrově zvětšený. Později se náboj smrští a může výztuhu stáhnout do jiného tvaru. Pokud se tlustší oblast přemění později, její rozpínání nebo smršťování může změnit stav napětí vytvořený během první fáze ochlazování. Výsledkem může být místní plastické tečení, koncentrace zbytkového napětí nebo rozměrová změna, kterou nelze předpovědět jednoduchým přídavkem pro rovnoměrné smrštění při kalení.

Konstrukce by měla upřednostňovat plynulé přechody: velkorysé zaoblení, kuželové výztuhy, plynule napojené náboje a co nejrovnoměrnější tloušťku stěny. Plynulý přechod teplotní gradienty neodstraní, ale rozloží je na větší vzdálenost a zmenší výrazné omezení deformace působící na hranici jednotlivých průřezů. Pokud se nelze těžké části vyhnout, měl by výkres tento přechod označit jako prvek důležitý pro tepelné zpracování, nikoli pouze jako detail obrábění. Simulace ohřevu a kalení pak mohou zkoumat místní teplotní historii a historii fázových přeměn, místo aby součást považovaly za homogenní blok.

Stejný princip platí pro nauhličované, nitridované a indukčně kalené součásti. Tvrdá povrchová vrstva nad měkkým nebo pomalu chladnoucím jádrem vytváří další nesoulad související s tloušťkou. Povrchové kalení a kalení vrstvy mění polohu a velikost zbytkového napětí, jak je popsáno v částech I a II studie v časopise *International Journal of Materials and Product Technology*. Konečné broušení může tato napětí rovněž uvolnit nebo přerozdělit. Archiv materiálových dat National Institute of Standards and Technology v publikaci *Metallurgy of Heat Treatment* uvádí, že neuvolněná kalicí napětí mohou při obrábění způsobit deformaci, protože odstranění materiálu mění rovnováhu zbytkových napětí.

Konstruktéři by proto měli s ohledem na omezení deformace ponechávat přídavek na obrábění, je-li to prakticky možné, během zpracování podporovat tenké oblasti a v případech vyžadovaných sledem operací specifikovat mezistupeň pro odstranění napětí nebo popouštění. Přídavek není zárukou proti pohybu součásti. Pouze umožňuje řízenou korekci po hlavních operacích, při nichž vzniká napětí.

### Symetrie, nevyváženost a způsoby deformace

Geometricky symetrická součást má tendenci vytvářet vyváženější teplotní a transformační deformace. Symetrie nezaručuje nulovou deformaci, protože rovnováhu mohou narušit proudění kaliva, upnutí, způsob založení a historie materiálu. Odstraňuje však jeden významný zdroj nerovnoměrného omezení deformace. Asymetrická součást se na protilehlých stranách ochlazuje různou rychlostí a jedna strana se může přeměnit dříve nebo může dosáhnout jiného stavu z hlediska martenzitu, bainitu či zbytkového austenitu. Nerovnoměrná deformace vede k ohybu nebo kroucení.

Plochá deska s jedním masivním žebrem se může prohnout směrem k žebru nebo od něj v závislosti na tom, jak rozdílně probíhá smršťování na obou stranách. Hřídel s excentrickou drážkou pro pero se může ohnout nebo zkroutit, protože strana s drážkou má menší hmotnost a jinou plochu pro odvod tepla. Kroužek s nerovnoměrnou tloušťkou stěny se může stát oválným, místo aby zůstal kruhový. Pokud se tepelné a transformační rozdíly mění po délce, může se kroužek nebo hřídel také kuželovitě deformovat. Jde o typické způsoby deformace, nikoli o univerzální výsledky: směr a velikost závisí na jakosti oceli, prokalitelnosti, rozměrech průřezu, intenzitě kalení, míchání kaliva, orientaci a omezení deformace.

#### Režimy deformace

- **Prohnutí** Zakřivení podél osy desky, tyče nebo hřídele.
- **Zkroucení** Úhlové pootočení podél délky.
- **Ovalita** Ztráta kruhovitosti u prstenců a válcových součástí.
- **Kuželovitost** Postupná změna rozměru podél délky.
- **Růst nebo smrštění** Rozměrová změna způsobená přeměnou, tepelným smrštěním nebo uvolněním napětí.

Běžné rozměrové změny mají charakteristické geometrické projevy:

- **Prohnutí** je zakřivení podél osy desky, tyče nebo hřídele, často spojené s nerovnoměrnou deformací mezi protilehlými plochami.
- **Kroucení** je úhlové pootočení podél délky, které běžně podporují asymetrická žebra, pera, drážky nebo nerovnoměrný přístup kaliva.
- **Ovalita** je ztráta kruhovitosti u kroužků a válcových součástí při nerovnoměrném obvodovém ochlazování nebo přeměně.
- **Kuželovitost** je postupná změna rozměru podél délky způsobená proměnlivým průřezem, tokem tepla nebo historií přeměny.
- **Růst** může doprovázet přeměnu nebo chování zbytkového austenitu, zatímco **smršťování** může být důsledkem tepelné kontrakce, transformační deformace a uvolnění napětí při obrábění.

Tyto způsoby deformace se mohou kombinovat. Kalené ozubené kolo může v jednom směru měření narůst, mírně se ovalizovat a vykazovat axiální házení. Popsat součást pouze jako „deformovanou kalením“ je méně užitečné než určit naměřený způsob deformace a vztáhnout jej ke geometrii, která vytvořila nerovnoměrné omezení deformace.

Publikace ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* řadí minimalizaci deformace a nežádoucích zbytkových napětí mezi hlavní konstrukční kritéria tepelného zpracování. Tento princip upřednostňuje vyvážené průřezy, soustředně umístěné prvky, rovnoměrné podepření a podobný přístup kaliva ke všem částem součásti. Podporuje také návrh vztažných ploch a kontrolních bodů podle očekávaného způsobu deformace, místo předpokladu, že se každý rozměr změní o stejnou hodnotu.

### Otvory, hrany, rohy a náhlé změny průřezu

Otvor není z hlediska přenosu tepla pouze prázdným detailem. Jeho vnitřní povrch se může ochlazovat z jiného směru než vnější povrch, zatímco materiál obklopující malý otvor může mít malou tepelnou kapacitu. Průchozí otvor může také umožnit průnik kaliva a vytvořit místní rozdíly v proudění. Slepé otvory se chovají jinak, protože jejich konce mohou zadržovat teplo a omezovat pohyb kapaliny. Těsně rozmístěné otvory zanechávají tenké můstky, které se rychle ochlazují a přeměňují, zatímco okolní plné části zůstávají teplejší a více omezují jejich deformaci.

Při návrhu tepelného zpracování je proto třeba zohlednit velikost, rozteč, hloubku a orientaci otvorů. Pokud je rozhodující rozměrová přesnost, je vhodné vyhnout se umístění malého otvoru vedle masivního náboje nebo ostrého vnitřního osazení, dokud nebude vyhodnoceno výsledné místní napětí a deformace. Vzor otvorů by měl být uspořádán tak symetricky, jak to funkce součásti dovoluje. U nauhličovaných nebo nitridovaných součástí představují specifikovaná hloubka vrstvy a nepřeměněné jádro další vzájemné působení mezi geometrií a zbytkovým napětím.

Hrany a rohy mají vysoký poměr plochy k objemu a často se ochlazují dříve než rozsáhlé plochy. Ostrý vnější roh může vytvořit strmý teplotní gradient od hrany do vnitřku součásti. Vnitřní roh může současně zadržovat teplo, omezovat proudění kaliva a koncentrovat napětí. Roh se proto může přeměňovat v jiném okamžiku než kterákoli z přilehlých ploch. Ostré hrany mají také méně materiálu, který by mohl rozdělit deformaci, takže při intenzivním kalení je pravděpodobnější místní plastická deformace a vznik trhlin.

Velkorysé poloměry a zkosení omezují jak tepelnou nespojitost, tak koncentraci mechanického napětí. Jejich velikost by měla zohledňovat požadavky na obrábění, únavu, povlakování a kalení; poloměr dostatečný pro obrábění může být při intenzivním kalení stále příliš malý. *International Journal of Materials and Product Technology* označuje nerovnoměrné teplotní gradienty za hlavní zdroj deformace při kalení, zatímco Worcester Polytechnic Institute tento jev popisuje jako vzájemně propojené působení přenosu tepla, fázové přeměny, napětí, deformace a mikrostrukturních změn. Konstrukce součásti tyto děje nemůže oddělit. Může však zmírnit jejich vzájemné působení. U.S. Department of Energy a University of Iowa rovněž spojují teplotní a zbytková napětí v ocelových odlitcích s deformací, vznikem trhlin, opravami, opravami svařováním, rozměrovými chybami a snížením provozních vlastností. Při předpovědi konečných rozměrů a zbytkových napětí je nutné zohlednit historii odlitku včetně předchozích tepelných cyklů a místních podmínek tuhnutí.

## 8. Profily zbytkového napětí po kalení

Kalení nezanechává ocelový díl s jedinou hodnotou zbytkového napětí. Zanechává trojrozměrné napěťové pole, které se mění od povrchu k jádru, v okolí rohů, podél změn tloušťky průřezu a v blízkosti otvorů, drážek pro pera, zaoblení a přerušovaných povrchů. Konečný profil vzniká působením konkurenčních účinků tepelné kontrakce, deformačního účinku fázové přeměny, elastického omezení a lokálního plastického toku. ASM International tyto příspěvky rozděluje na zbytková napětí tepelného, transformačního a kalicího původu, ačkoli tyto mechanismy vzájemně působí během téhož cyklu ohřevu a ochlazování ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")).

Zbytkové napětí a deformace spolu souvisejí, nejsou však totožné. Díl může obsahovat značné napětí a přitom vykazovat jen malou rozměrovou změnu, protože protichůdné deformace se vzájemně vyrovnávají. Naopak i mírné napěťové pole může způsobit znatelné zkroucení, pokud obrábění, broušení nebo provozní zatížení odstraní omezení, které udržovalo původní tvar stabilní.

![Schematický profil zbytkového napětí v průřezu kaleného ocelového válce](/images/uploads/3ca82320-70c1-4785-85e8-c62d27fd7b64/wiki-inline-a-quenched-steel-cylinder-with-a-through-section-residual-stress-profile-showing-1920x1094.jpg)[](/images/uploads/3ca82320-70c1-4785-85e8-c62d27fd7b64/wiki-inline-a-quenched-steel-cylinder-with-a-through-section-residual-stress-profile-showing-1920x1094.avif "Zvětšit obrázek — Schematický profil zbytkového napětí v průřezu kaleného ocelového válce")A quenched section can contain balancing compressive and tensile regions from surface to core.

### Vzory napětí na povrchu a v jádru

Znaky zbytkového napětí závisí na průběhu, nikoli jednoduše na slově „kalení“.
| Postup ochlazování a přeměny | Možný výsledný vzorec napětí | Důležité proměnné |
|---|---|---|
| Povrch se smršťuje jako první; jádro zůstává horké | Na povrchu se může v počáteční fázi vytvořit tahové napětí | Gradient ochlazování a plastická deformace při vysoké teplotě |
| Jádro se smršťuje nebo přeměňuje později | Na povrchu může přetrvávat tlakové napětí a v jádře tahové napětí | Načasování přeměny a omezení deformace |
| Nerovnoměrné ochlazování kolem určitého prvku | Smíšené lokální oblasti tahového a tlakového napětí | Geometrie, přístup chladicího média a tloušťka průřezu |

Známý vzorec, kdy je povrch kalené oceli v tlaku a její jádro v tahu, je běžný, nejde však o univerzální pravidlo. V počáteční fázi kalení se povrch ochlazuje a smršťuje, zatímco teplejší vnitřní část toto smrštění omezuje. Povrch se proto může dostat do tahového napětí, někdy i nad mez kluzu, zatímco jádro je uvedeno do tlaku. Jak ochlazování pokračuje, jádro se smršťuje a může se přeměnit až poté, co se povrch již značně ochladil. Napěťový vzorec se pak může obrátit a zanechat povrch v tlaku a vnitřní část v tahu.

Martenzitická přeměna tuto posloupnost komplikuje. Austenit se při přeměně na martenzit rozpíná, přičemž velikost rozpínání závisí na obsahu uhlíku, složení slitiny, teplotě přeměny a podílu přeměněného materiálu. Pokud se povrch přemění jako první, jeho rozpínání je omezeno chladnějším materiálem nebo materiálem, který je stále austenitický, pod povrchem. Pokud se jádro přemění později, jeho rozpínání může změnit napěťový stav, který se na povrchu již vytvořil. Bainit, perlit, martenzit a zbytkový austenit přispívají různými deformačními účinky přeměny. Povrch, který se ochladí dostatečně rychle na vznik martenzitu, proto může mít odlišný profil napětí než jádro, v němž vznikne bainit nebo smíšená struktura.

Umístění tahového napětí je důležité, protože tahové napětí na povrchu úzce souvisí se vznikem trhlin, zatímco tlakové napětí na povrchu může oddálit rozevírání únavových trhlin. Tahová oblast však může ležet pod tlakovou povrchovou vrstvou a měření na povrchu ji neodhalí. Rentgenová difrakce obvykle zkoumá pouze mělký objem v blízkosti povrchu; výsledek proto popisuje tuto vrstvu, nikoli celý díl. Neutronová difrakce, synchrotronové metody, metody s dělením, odvrtáváním otvorů a modelované profily mohou poskytnout informace ve větší hloubce, avšak každá metoda má vlastní rozlišení a předpoklady.

Geometrie tento vzorec mění. Tenký pás se může ochladit a přeměnit téměř v celém průřezu, zatímco tlustý náboj, patka zubu nebo příruba si déle zachovávají horkou vnitřní část. Rohy a hrany odvádějí teplo více než jedním povrchem a mohou se přeměnit dříve než okolní materiál. Ostrý přechod v tloušťce průřezu proto může koncentrovat jak tepelné gradienty, tak rozdíly v deformačních účincích přeměny. Diskuse v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* z roku 2005 označuje nerovnoměrné tepelné gradienty za hlavní zdroj deformací po kalení ([část I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "část I")).

Teplota kalicího média, jeho pohyb, viskozita, smáčivost a místní proudění určují, jak rychle se teplo odvádí z jednotlivých povrchů. Olej, voda, polymerní roztok, roztavená sůl a plyn vytvářejí odlišný průběh přenosu tepla. Dokonce i v jedné nádrži se zakrytý povrch může ochlazovat pomaleji než exponovaný povrch. Přehledový článek v *Journal of Materials Engineering and Performance* z roku 2022 proto považuje přenos tepla, fázovou přeměnu, geometrii, tloušťku průřezu, volbu kalicího média a intenzitu kalení za vzájemně působící proměnné, nikoli za nezávislé řídicí parametry ([přehled z roku 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "přehled z roku 2022")).

### Samorovnováha a redistribuce napětí

Volný díl nemůže po ochlazení zachovávat výslednou nevyváženou sílu nebo moment. Zbytková napětí musí v celém dílu splňovat podmínky samorovnováhy: tahové a tlakové oblasti se musí silově vyrovnávat a jejich rozložení musí zároveň vyrovnávat ohybové momenty. To neznamená, že každé lokální napětí je malé. Znamená to, že vysoká tahová vrstva vyžaduje kompenzující tlak jinde nebo že úplné trojrozměrné pole zahrnuje vyrovnávací napětí v jiném směru.

Odstranění materiálu tuto rovnováhu mění. Text *Metallurgy of Heat Treatment*, archivovaný National Institute of Standards and Technology, uvádí, že neodstraněná napětí po kalení mohou během obrábění způsobit deformaci, protože odstranění materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí ([archiv materiálových údajů NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "archiv materiálových údajů NIST")). Kroužek se může po vyvrtání otevřít, deska se může po odfrézování jedné plochy prohnout a kalené ozubené kolo se může během dokončovacího broušení pohnout. Nejde o nová napětí vytvořená samotným strojem. Jde o viditelný důsledek uvolnění již existujícího pole.

Mikroměřítková plastická deformace je pro tuto redistribuci zásadní. Zrna a bloky se nepřeměňují všechna současně ani stejným způsobem. Rozdíly v krystalografické orientaci, místní koncentraci uhlíku, struktuře původních austenitických zrn a omezení ze strany sousedních fází vyvolávají malé plastické deformace. Článek v *International Journal of Materials and Product Technology*, část II, přisuzuje zbytkové napětí v kalené oceli částečně této mikroměřítkové plastické deformaci a spojuje výsledný stav s podmínkami kalicího média, povrchovým a cementačním kalením a dokončovacím broušením ([část II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "část II")). Popouštění může napětí snížit tím, že umožní zotavení a omezenou strukturální úpravu, nezaručuje však díl bez napětí.

### Prokalování oproti povrchovému a cementačnímu kalení

Prokalování má tendenci vytvářet napěťové pole v převážné části nebo v celém průřezu, pokud je průřez dostatečně malý a ocel má dostatečnou prokalitelnost. Ocel jakosti AISI 1045 může v tlustém průřezu vytvořit v blízkosti povrchu martenzit, zatímco směrem ke středu si zachová měkčí produkty přeměny. Ocel s vyšší prokalitelností, například AISI 4140, se při stejném jmenovitém kalení může přeměnit do větší hloubky, čímž se změní jak profil tvrdosti, tak rozložení deformačních účinků přeměny. Výsledný profil zbytkového napětí závisí na skutečném průřezu, způsobu austenitizace, výchozí mikrostruktuře a intenzitě kalení, nikoli pouze na označení jakosti.

Povrchové kalení vytváří výraznější materiálový kontrast. Indukční kalení rychle ohřívá povrchovou vrstvu, zatímco při cementování se austenit v blízkosti povrchu před kalením obohacuje uhlíkem; nitridování vytváří tvrdou sloučeninovou nebo difuzní vrstvu, aniž by probíhalo stejnou objemovou přeměnovou cestou jako při cementování. U cementované oceli se vysokouhlíková cementovaná vrstva může přeměňovat při nižší teplotě a může v ní zůstat určité množství austenitu, zatímco nízkouhlíkové jádro se přeměňuje odlišně. Rozpínání cementované vrstvy, omezení ze strany jádra, zbytkový austenit a lokální plasticita mohou v cementované vrstvě zanechat tlakové, tahové nebo smíšené napěťové pole v závislosti na časování a podmínkách procesu. Z hlediska napětí proto povrchové kalení není jednoduše pouze „tvrdé na povrchu, měkké uvnitř“.

Rovnoměrnost kalení je obzvláště důležitá u cementovaných ozubených kol, hřídelí a ložiskových součástí. Nerovnoměrné ochlazování po obvodu může vytvářet asymetrické deformační účinky přeměny a ohyb, i když je hloubka cementované vrstvy jmenovitě rovnoměrná. Konečné broušení může působením tepla a mechanických účinků dále měnit stav napětí na povrchu; nadměrné broušení může vyvolat tahové napětí nebo uvolnit tlakovou rovnováhu vytvořenou během kalení.

Publikace ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* označuje minimalizaci deformací a nežádoucích zbytkových napětí za hlavní kritéria návrhu tepelného zpracování ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM International")). Toto kritérium vyžaduje uvažování v podobě profilů. U.S. Department of Energy spojuje tepelná a zbytková napětí v ocelových odlitcích s deformacemi, vznikem trhlin, přepracováním, opravami svarů, rozměrovými chybami a sníženou provozní výkonností ([zpráva DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "zpráva DOE")). Historie odlévání, jak zdůrazňují práce University of Iowa, může rovněž ovlivnit výchozí strukturu a napěťové pole. Zpráva Worcester Polytechnic Institute proto považuje deformaci po kalení za sdružený problém zahrnující přenos tepla, fázovou přeměnu, napětí, deformaci a vývoj mikrostruktury ([zpráva WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "zpráva WPI")). Měření na povrchu je jedním pozorováním. Chování součásti vyplývá z celého profilu.

## 9. Popouštění, odstranění pnutí a následné tepelné zpracování

### Co popouštění mění a co nemůže zaručit

Popouštění je řízené opětovné ohřátí prováděné po kalení, obvykle pod dolní kritickou teplotou Ac⁢1. Jeho bezprostředním účelem je změnit martenzit po kalení: dochází k redistribuci uhlíku, tvorbě přechodových karbidů nebo cementitu a k částečnému odstranění tetragonální deformace přesycené martenzitické mřížky. S rostoucí teplotou a dobou popouštění tvrdost obecně klesá, zatímco houževnatost a rozměrová stabilita se zlepšují. Reakce závisí na chemickém složení slitiny, předchozím způsobu austenitizace, velikosti průřezu, rychlosti kalení a podílu zbytkového austenitu.

#### Omezení popouštění

Popouštění může snížit část napětí a zlepšit rozměrovou stabilitu, nemůže však zvrátit každou změnu tvaru způsobenou nerovnoměrným ochlazováním, transformační deformací nebo lokálním překročením meze kluzu.

Popouštění proto mění jak mechanické vlastnosti, tak zbytková napětí, není však univerzálním prostředkem k odstranění deformací. Součást, která po kalení vyjde prohnutá, zkroucená nebo oválná, může v tomto stavu zůstat i po popouštění. Popouštění může uvolnit část elastického napětí a umožnit omezené plastické přizpůsobení, nemůže však zvrátit každou změnu tvaru, která již vznikla v důsledku nerovnoměrného ochlazování, transformační deformace nebo lokálního tečení. Hřídel s odlišným podílem martenzitu na povrchu a v jádře může během popouštění nadále měnit své rozměry; cementovaná součást může reagovat odlišně ve své cementační vrstvě a v jádře; a zbytkový austenit se může transformovat během popouštění nebo později při provozu, což způsobí další objemovou změnu.

Toto rozlišení vychází z kapitoly příručky ASM *Zbytková napětí a deformace v kalených a popuštěných ocelích*, která rozlišuje tepelná, transformační a kalicí zbytková napětí a zároveň ukazuje, že působí společně. Přehledová studie autorů práce *Zbytkové napětí a deformace během kalení ocelí: přehled*, publikovaná v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance*, obdobně pojednává o přenosu tepla, fázové transformaci, geometrii, tloušťce průřezu, volbě kalicího prostředku a intenzitě kalení jako o vzájemně propojených proměnných. Popouštění nemůže kompenzovat nevhodný průběh kalení, nevhodný přípravek ani náhlý přechod mezi průřezy.

Následné tepelné působení může vyvolat další rozměrové změny. Druhé popouštění, cyklus pro odstranění pnutí, nitridování, cementování, indukční kalení, pájení natvrdo, svařování nebo konečné broušení mohou změnit teplotní pole i rovnováhu fází. Martenzit se může dále popouštět, zbytkový austenit se může transformovat a precipitace karbidů může měnit lokální objem a mez kluzu. Konečný rozměr je proto výsledkem celé procesní historie, nikoli pouze rozměrem naměřeným po kalení.

### Tepelné odstranění pnutí

Tepelné odstranění pnutí snižuje zbytková napětí ohřevem oceli na teplotu, při níž může docházet k lokálnímu plastickému toku a časově závislé relaxaci, aniž by byla úmyslně austenitizována celá součást. Zvolená teplota musí být slučitelná s požadovanou tvrdostí, houževnatostí, hloubkou kalené vrstvy, rozměrovou tolerancí a metalurgickým stavem. Cyklus pro odstranění pnutí předepsaný pro normalizačně žíhanou nízkouhlíkovou ocel nelze beze změny použít pro kalený a popuštěný nástroj, cementované ozubené kolo nebo nitridovanou součást.

Publikace *Metalurgie tepelného zpracování*, uchovávaná v archivu materiálových dat National Institute of Standards and Technology, uvádí tepelné zpracování jako jednu z cest ke snížení zbytkového napětí a upozorňuje, že neodstraněná napětí po kalení mohou během obrábění způsobit deformaci. Mechanismus je jednoduchý: ohřev snižuje mez kluzu, takže uzamčená napětí se mohou uvolňovat prostřednictvím malých plastických deformací a toku podobného tečení. Následné ochlazování musí být řízené. Pokud je součást ohřívána nerovnoměrně, je udržována na teplotě příliš krátkou dobu nebo je ochlazována s nově vzniklým rozdílem teplot mezi povrchem a jádrem, může zpracování nahradit jeden systém napětí jiným.

Odstranění pnutí rovněž nezaručuje nulovou deformaci. Silně namáhaný prstenec může při relaxaci napěťového pole změnit kruhovitost, přestože zpracování snížilo hnací sílu pro pozdější pohyb. Odlitek může reagovat v závislosti na své historii tuhnutí, tloušťce průřezu, umístění nálitku a předchozích opravách svařováním. Zpráva U.S. Department of Energy o ocelových odlitcích spojuje napětí vznikající při ohřevu a kalení s deformacemi, praskáním, přepracováním, opravami svařováním, rozměrovými chybami a sníženou provozní výkonností; práce University of Iowa obdobně zdůrazňují, že historie odlitku musí být zahrnuta do předpovědí konečných rozměrů a zbytkového napětí.

Tepelné odstranění pnutí by proto mělo být plánováno s ohledem na celý sled operací. Hrubé obrábění před odstraněním pnutí může odebrat namáhaný materiál a odhalit rozměrové změny; odstranění pnutí před hrubým obráběním může toto riziko snížit, avšak samotný cyklus opětovného ohřevu může vyvolat rozměrovou změnu. Jemné obrábění a broušení by měly, pokud to tolerance vyžaduje, následovat po konečném metalurgickém zpracování. Povrchově a cementačně kalené součásti vyžadují zvláštní péči, protože povrchová vrstva, přechodová oblast a jádro mají odlišné složení, transformační teploty a podmínky mechanického omezení.

### Mechanické odstranění pnutí a rovnání

Mechanické odstranění pnutí mění tvar nebo rozložení napětí působením síly, nikoli především prostřednictvím teploty. Rovnání v lisu, válcové rovnání, tryskání, kalibrování, pěchování a řízená deformace za studena mohou korigovat měřitelné prohnutí nebo házení. Fungují tak, že vybrané oblasti přivedou za mez pružnosti, takže pružné odpružení a plastická deformace zanechají součást blíže požadované geometrii.

Tato korekce však neprobíhá bez napětí. Rovnání redistribuuje zbytková napětí a může na jedné straně průřezu vyvolat tahové napětí, na druhé straně tlakové napětí nebo lokální plastické přetvoření v blízkosti podpor a kontaktních míst. U kalené oceli může nadměrná síla způsobit praskání; u vysokopevnostní martenzitické struktury může rovnání za studena snížit odolnost proti lomu. Rovnání za tepla snižuje potřebnou sílu, přidává však tepelný cyklus, který může popustit martenzit, změnit zbytkový austenit nebo vytvořit nový teplotní gradient. Přípustný způsob proto závisí na jakosti materiálu, tvrdosti, geometrii průřezu a požadavcích na kontrolu.

Mechanická korekce může také nestabilní součást pouze zakrýt, nikoli odstranit základní příčinu. Pokud obrábění později odebere namáhanou povrchovou vrstvu, může se korigovaná součást odpružit nebo se pohnout jiným směrem. Publikace *Metalurgie tepelného zpracování*, hostovaná organizací NIST, konkrétně popisuje deformace při obrábění způsobené narušením rovnováhy zbytkových napětí. Studie v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* spojují zbytková napětí v kalené oceli s plastickou deformací v mikroměřítku a s podmínkami kalení, povrchovým nebo cementačním kalením a konečným broušením.

Vhodný sled operací proto spočívá ve snížení zbytečných napětí během austenitizace a kalení, v bezprostředním popuštění, v případě potřeby v použití kompatibilního tepelného zpracování pro odstranění pnutí, následně v hrubém obrábění, měření, rovnání pouze v rámci řízeného postupu a v dokončovacím obrábění nebo broušení po konečném tepelném působení. Worcester Polytechnic Institute popisuje deformace po kalení jako spřažený problém zahrnující přenos tepla, fázovou transformaci, napětí, deformaci a vývoj mikrostruktury. Rovnání a odstraňování pnutí musí být posuzovány v rámci stejného sledu operací. Při řízeném provedení snižují riziko; nedostatečně řízený opětovný ohřev, působení síly nebo úběr materiálu mohou vyvolat další rozměrovou změnu.

## 10. Obrábění, broušení a uvolňování skrytého pnutí

Tepelné zpracování ne vždy zanechá ocelovou součást s konečnými a pevně stanovenými rozměry. Kalená a popuštěná součást může projít úvodní kontrolou a následně se během soustružení, frézování, vrtání nebo broušení deformovat. Obrábění nemuselo původní deformaci vytvořit. Mohlo pouze odhalit nerovnováhu zbytkových napětí, která byla přítomna již po ohřevu, kalení, fázové přeměně a popouštění.

ASM International rozděluje zbytková napětí po tepelném zpracování na příspěvky tepelného původu, transformační a způsobené kalením ([ASM Handbook, Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels")). Tato napětí existují současně s rozměrovými změnami způsobenými tepelnou kontrakcí, fázovou přeměnou a lokální plastickou deformací. Přehledový článek z roku 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* popisuje tento výsledek jako vzájemně provázanou odezvu zahrnující přenos tepla, fázovou přeměnu, geometrii, tloušťku průřezu, volbu kalicího média a intenzitu kalení ([přehled z roku 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "přehled z roku 2022")). Obrábění probíhá až po této historii, nikoli na polotovaru bez napětí.

### Proč může obrábění odhalit deformaci po tepelném zpracování

Obrobený povrch může geometricky vypadat správně, zatímco součást stále obsahuje vnitřní napětí, která se navzájem vyrovnávají. Jedna oblast může být namáhána tlakem a jiná tahem, přičemž protilehlé síly a momenty se v rámci celé součásti vyrovnávají. Rovnováha může zůstat stabilní až do okamžiku, kdy nástroj jednu z těchto oblastí odebere.

Tento praktický mechanismus popisuje publikace *Metallurgy of Heat Treatment*: neuvolněná kalicí napětí mohou během obrábění způsobit zkřivení, protože odebírání materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí ([archiv materiálových údajů NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "archiv materiálových údajů NIST")). Deska s tahovým napětím v blízkosti jednoho povrchu a kompenzujícím tlakovým napětím hlouběji uvnitř se může po odebrání namáhaného povrchu ohnout. Kroužek se může stát oválným. Hřídel může po odfrézování excentrické vrstvy změnit přímost. Nástroj změnil rozložení sil a zbývající kov se deformuje, dokud se nevytvoří nová rovnováha.

Velikost pohybu závisí na více faktorech než jen na velikosti napětí. Důležitou roli hrají délka součásti, tloušťka stěny, symetrie, lokální tuhost, přechody průřezů a orientace pole zbytkových napětí. Silná příruba může omezit pohyb, který by byl zjevný u tenké stojiny. Drážka pro pero nebo příčný otvor může odebrat materiál z jedné strany a vyvolat ohybový moment. Cementovaná nebo nitridovaná vrstva může mít odlišný profil napětí a tvrdosti než jádro, takže obrábění skrz tuto vrstvu mění jak mechanickou rovnováhu, tak lokální dráhu přenosu zatížení.

Důležitá je také historie tepelného zpracování. Přehledový článek z roku 2022 a zpráva Worcester Polytechnic Institute popisují deformaci při kalení jako vzájemně provázaný výsledek přenosu tepla, fázové přeměny, napětí, deformace a vývoje mikrostruktury ([zpráva WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "zpráva WPI")). Dvě jmenovitě identické součásti proto mohou reagovat odlišně, pokud se lišily jejich předchozí kování, odlévání, tváření za studena, struktura zrn, rychlost ohřevu nebo intenzita promíchávání kalicího média. Ministerstvo energetiky Spojených států uvádí, že tepelná a zbytková napětí v ocelových odlitcích mohou přispívat k deformacím, praskání, přepracování, opravám svařováním, rozměrovým chybám a zhoršení provozních vlastností ([zpráva DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "zpráva DOE")). Historie odlitku se pozdějším obráběním nevymaže.

### Odebírání materiálu a redistribuce napětí

Přídavek na obrábění poskytuje prostor pro tuto nejistotu, není však zárukou, že k pohybu nedojde. Přídavek je nutné posuzovat společně s očekávaným profilem napětí a s pořadím, v němž jsou jednotlivé povrchy odhalovány. Odebrání velkého množství materiálu z jedné strany tepelně zpracované součásti může uvolnit ohyb nebo kroucení; odebrání srovnatelného množství z protilehlých stran může čistou nerovnováhu snížit, ačkoli samotná symetrie nezajišťuje rozměrovou stabilitu.

Z tohoto důvodu se postupné odebírání materiálu běžně považuje za zásadu rozměrové kontroly, nikoli za univerzální technologický postup. Hrubovací obrábění může odebrat většinu přídavku, přičemž ponechá dostatek materiálu, aby součást mohla reagovat a pozdější operace mohla její polohu korigovat. Následná kontrola může odhalit pohyb ještě před dokončením konečné geometrie. Pokud hrubování odhalí výrazné prohnutí nebo házení, přímé pokračování na konečný rozměr může chybu pouze zopakovat a ponechat menší kapacitu pro následnou korekci.

Volba vztažných základen musí vycházet z funkční geometrie součásti a jejího měnícího se stavu napětí. Pokud je každá operace vztažena k povrchu, který se během hrubování posunul, může se deformace přenést do pozdějších prvků. Naopak změna základen bez kontroly jejich vzájemného vztahu může vytvořit jinou formu kumulované chyby. U hřídele může být nutné určit vztah mezi zvolenou osou, ložiskovými sedly a čelními plochami na základě kontroly, nikoli předpokládat, že zůstanou pevně ustavené. U desky může být po hrubování a relaxaci napětí nutné znovu posoudit vztažnou plochu.

Kontrola po hrubování je proto součástí logiky procesu, nikoli pouze závěrečnou kontrolou kvality. Přímost, rovinnost, kruhovitost, rovnoběžnost, házení a polohy kritických prvků se mohou měnit mezi hrubováním, úpravou ke snížení napětí, polodokončováním a dokončováním. ASM označuje „minimalizaci deformací a nežádoucích zbytkových napětí“ za jedno z hlavních konstrukčních kritérií tepelného zpracování oceli ([ASM Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel")); samotná obráběcí praxe nemůže kompenzovat každý nevhodný stav po tepelném zpracování.

Operace ke snížení napětí může omezit pohyb, její teplota a doba trvání však musí být slučitelné s jakostí oceli, požadovanou tvrdostí, stavem po popouštění a povrchovou úpravou. Mechanické uvolnění napětí může rovněž změnit rozměry. U žádné z těchto metod nelze předpokládat, že odstraní veškerá zbytková napětí.

### Napětí při broušení a integrita povrchu

Objemové zbytkové napětí **Objemové zbytkové napětí** Zbytkové napětí rozložené ve významné hloubce nebo objemu součásti, nikoli omezené na mělkou povrchovou vrstvu.

Broušení představuje samostatný problém, protože jeho účinky se soustřeďují v blízkosti povrchu. Objemové zbytkové napětí označuje napětí rozložené významnou částí průřezu, které může po odebrání materiálu vyvolat celkové ohnutí, zkroucení nebo změnu tvaru. Napětí vyvolané broušením je často mělkým povrchovým účinkem způsobeným mechanickou deformací a teplem. Oba typy mohou existovat současně, nejsou však zaměnitelné.

Přehledový článek v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* připisuje zbytková napětí v kalené oceli plastické deformaci v mikroměřítku a pojednává o vlivu podmínek kalicího média, povrchového kalení a kalení vrstvy i konečného broušení ([část I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "část I"); [část II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "část II")). Broušení může vyvolat tahové napětí v důsledku lokálního ohřevu následovaného rychlým ochlazením nebo tlakové napětí v důsledku intenzivního mechanického tření a plastického toku. Znaménko a hloubka napětí závisí na specifikaci brusného kotouče, kontaktních podmínkách, přívodu chladicí kapaliny, úběru materiálu a tvrdosti a mikrostruktuře oceli.

Nadměrné teplo vznikající při broušení může poškodit stav po popouštění, způsobit spálení při broušení, změkčit vybrané oblasti nebo vyvolat opětovné zakalení a vznik nepopuštěného martenzitu. Tyto změny nemusí bezprostředně způsobit výrazné zkřivení, mohou však snížit únavové vlastnosti nebo zapříčinit pozdější rozměrové změny. Povrchové trhliny jsou obzvláště nebezpečné v místech, kde se vrstva tahových zbytkových napětí kombinuje s cyklickým provozním zatížením.

Pojednání o konečném broušení v části II je pro rozměrovou kontrolu zásadní: poslední operace odebírá jen malé množství materiálu, přesto určuje funkční povrch a stále může změnit jeho stav napětí. Konečné broušení by proto mělo být považováno za řízenou dokončovací fázi, po níž následuje kontrola geometrie a integrity povrchu. Součást, která před broušením splňovala rozměry, nemusí nutně splňovat svůj konečný stav. Konečný povrch, podkladová struktura po tepelném zpracování a pole napětí musí být posuzovány společně.

## 11. Praskání, přepracování a důsledky v provozu

Tepelné zpracování může u ocelové součásti zanechat jak rozměrovou odchylku, tak pole zbytkových napětí. Tyto jevy spolu souvisejí, ale nejsou totožné. Deformace popisuje změnu tvaru nebo rozměrů; zbytkové napětí popisuje samovyvažující se napětí, které zůstává po odstranění vnějšího tepelného nebo mechanického zatížení. Součást může být na pohled rovná, a přesto obsahovat škodlivé tahové napětí, zatímco jiná může být zkřivená, ale může mít rozložení zbytkových napětí, které bezprostředně nepředstavuje kritické riziko vzniku trhlin.

Toto rozlišení je u ocelových odlitků důležité, protože konečný stav ovlivňují ohřev, ochlazování, průběh tuhnutí, obrábění, svařování i provozní zatížení. ASM International rozlišuje u zušlechtěných ocelí tepelná, transformační a kalicí zbytková napětí jako samostatné přispívající faktory. Přehledová studie Tottena a spoluautorů z roku 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* rovněž popisuje deformaci jako důsledek vzájemného působení přenosu tepla, fázové transformace, geometrie, tloušťky průřezu, volby kalicího média a intenzity kalení. Žádné jediné „kalicí napětí“ nevysvětluje každé porušení.

### Kdy se zbytkové napětí stává hnací silou trhliny

Zbytkové napětí se stává hnací silou trhliny tehdy, když se tahové napětí soustředí u vady nebo ostrého geometrického prvku a zvýší místní faktor intenzity napětí či rychlost uvolňování energie. Uložené napětí nemusí být velké v celém objemu součásti. Pór v odlitku, oxidický film, staženina, nekovová vměstka, oblast nedostatečného provaření, stopa po obrábění, drážka pro pero nebo náhlá změna průřezu mohou zesílit místní tahové pole. Působící tahové zatížení se k němu následně přičítá. Součást, která projde kontrolou i tepelným zpracováním bez zjištěných problémů, může později prasknout, když cyklické zatížení, vibrace, tlak nebo tepelné cyklování dodají zbývající hnací sílu.

Stejná interakce se uplatňuje také při praskání podporovaném vodíkem. Vodík může snižovat kohezní pevnost a podporovat lokalizovanou plasticitu, zatímco zbytkové tahové napětí napomáhá otevření trhliny nebo udržuje její růst. Vysokopevnostní martenzitické oceli, kalené povrchy, tepelně ovlivněné oblasti svarů a součásti s galvanickým nebo chemickým povlakem jsou proto citlivé na tuto kombinovanou podmínku, nikoli na zbytkové napětí izolovaně. Tlaková povrchová vrstva může oddálit otevření trhliny, avšak o porušení může stále rozhodnout podpovrchové tahové napětí, poškození broušením nebo předem existující vada.

Teplota mění vzájemnou rovnováhu těchto vlivů. Při zvýšené provozní teplotě mohou relaxace napětí a tečení část zbytkového napětí snížit, avšak rozdíly v tepelné roztažnosti mohou vytvářet nová napětí a oxidace nebo degradace mikrostruktury mohou zeslabit průřez. Při nízké teplotě může nižší houževnatost učinit vadu nebezpečnější, i když se zbytkové napětí nezvýšilo. Transformace probíhající během provozu může rovněž měnit objem a tuhost. Zpráva U.S. Department of Energy o ocelových odlitcích spojuje tepelná a zbytková napětí vznikající během ohřevu a kalení s praskáním, deformacemi, přepracováním, opravami svařováním a zhoršením provozních vlastností; praktický závěr je zřejmý: kontrola a návrh musí zohledňovat kombinaci napětí, vady a provozních podmínek.

Zbytkové napětí se může stát nebezpečným také během dokončovacích operací. Publikace *Metallurgy of Heat Treatment*, dostupná prostřednictvím archivu materiálových dat National Institute of Standards and Technology, uvádí, že neodstraněná kalicí napětí mohou během obrábění způsobit deformaci, protože úběr materiálu naruší původní rovnováhu napětí. Odstranění jedné strany průřezu může nerovnoměrně uvolnit tahové nebo tlakové napětí. Trhlina se pak může objevit u nově odhalené vady, avšak obrábění nemuselo původní pole napětí vytvořit.

### Deformace, opravy svařováním a přepracování

Deformace běžně vyvolává přepracování dříve, než způsobí lom. Zkřivený odlitek může nevyhovět rozměrové kontrole, nesprávně se ustavovat vůči spojené součásti, překročit přídavek na obrábění nebo vytvořit nerovnoměrnou těsnicí plochu. Následovat může rovnání, lokální ohřev, další obrábění, tryskání kuličkami, odstranění napětí nebo oprava svařováním. Každá z těchto operací znovu mění tepelnou a mechanickou historii součásti.

Oprava svařováním není neutrální korekcí. Svařování působí jako malý, intenzivní zdroj tepla vedle relativně studené oceli, čímž vytváří nový teplotní gradient, tepelně ovlivněnou oblast, smršťování při ochlazování a případně tvrdé, křehké mikrostruktury. Pokud odlitek již obsahuje kalicí napětí, může opravný svar superponovat tahové napětí v oblasti obsahující pórovitost, vměstky, staženiny nebo dřívější praskliny. Kontrola vodíku, předehřev, teplota mezi vrstvami, volba přídavného kovu, tepelné zpracování po svařování a kontrola proto mají stejný význam jako viditelný profil svaru.

Závěry Department of Energy a práce University of Iowa zaměřené na ocelové odlitky jsou důležité, protože spojují konečnou rozměrovou přesnost s historií odlitku. Pořadí tuhnutí, místní tloušťka průřezu, nálitkování, omezení chladnutí, předchozí tepelné cykly a následné tepelné zpracování ovlivňují jak počáteční pole napětí, tak reakci na pozdější zpracování. Predikce založená pouze na konečném kalení nemůže zohlednit napětí zděděná z procesu odlévání. Zpráva University of Iowa výslovně zdůrazňuje, že při predikci konečných rozměrů a zbytkových napětí je nutné zahrnout historii odlitku.

Přepracování může odhalit další problém: součást lze dostat do mezí výkresové tolerance, a přesto v ní může zůstat nepříznivý stav napětí. Intenzivní broušení může odstranit tlakovou povrchovou vrstvu a odkrýt pod ní uložený tahový materiál. Opakované lokální rovnání může vyvolat plastickou deformaci a snížit únavovou rezervu. Naopak řízené odstranění napětí může snížit riziko deformace, avšak nadměrný nebo nedostatečně řízený ohřev může změnit tvrdost, stav po popouštění, hloubku nauhličené vrstvy, nitridované vrstvy nebo rozměrové uložení. Publikace ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* proto považuje minimalizaci deformace a nežádoucích zbytkových napětí za primární návrhová kritéria, nikoli za problémy kontroly, které se mají řešit až na konci.

### Změna rozměrů během provozu

Součást nemusí prasknout, aby přestala plnit svou funkci. Rozměrová nestabilita může změnit předpětí ložiska, vůli ozubení, souosost hřídele, vůli ventilu, stlačení těsnění nebo kontaktní tlak. V přesné sestavě může i nepatrný pohyb způsobit tření, únik, nerovnoměrné rozdělení zatížení nebo zrychlené opotřebení. Součást zůstává konstrukčně neporušená, její provozní vlastnosti se však zhoršují.

Tento pohyb může vyvolat několik mechanismů. Zbytkové napětí může během provozu relaxovat, což umožní elastické zotavení nebo plastickou redistribuci. Zbytkový austenit se může transformovat na martenzit, což způsobí rozpínání; při popouštění se může zmenšit objem martenzitu i tvrdost; a tepelné cyklování může opakovaně zvýrazňovat rozdíly mezi povrchovou vrstvou a jádrem. Nauhličené, nitridované, indukčně kalené a prokalované průřezy nereagují shodně, protože se liší jejich gradienty složení, tvrdosti, transformační teploty a zbytkového napětí.

Po tepelném zpracování může být důležité také konečné broušení. Studie v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* označují nerovnoměrné kalicí gradienty za hlavní zdroj deformace a dávají zbytkové napětí do souvislosti s plastickou deformací v mikroměřítku, podmínkami kalení, povrchovým a vrstvovým kalením a konečným broušením. Zpráva Worcester Polytechnic Institute popisuje tentýž problém jako spřažený proces přenosu tepla, fázové transformace, napětí, deformace a změn mikrostruktury. Kvalifikace pro provoz proto musí řešit nejen vznik trhlin, ale také rozměrový drift. Rovná součást bez trhlin při expedici nemusí být nutně stabilní součástí v provozu.

## 12. Měření deformace a zbytkového napětí

Kontrola po tepelném zpracování by měla kombinovat dva odlišné záznamy: rozměrovou mapu zachycující, jak se součást změnila, a charakterizaci napětí ukazující, jaká elastická nebo plastická nerovnováha v ní zůstává. Deformace je změna tvaru nebo rozměrů. Zbytkové napětí je samovyvažující se napěťové pole, které přetrvává po zániku vnějších zatížení a teplotních gradientů. Tyto jevy jsou vzájemně propojené, ale nejsou zaměnitelné. Součást může splňovat rozměrovou toleranci a současně v ní může přetrvávat tahové napětí, které později způsobí praskání, pohyb při obrábění nebo únavové poškození. Naopak viditelně zkřivená součást mohla prodělat značnou transformační deformaci i poté, co se velká část jejího zbytkového napětí uvolnila.

ASM International rozlišuje u kalených a popuštěných ocelí tepelné, transformační a kalicí zbytkové napětí jako samostatné příspěvky. Přehledová práce z roku 2022 od autorů článku *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* popisuje výsledný stav jako vzájemné působení přenosu tepla, fázové transformace, geometrie, tloušťky průřezu, volby kalicího média a intenzity kalení (doi:10.1007/s11665-022-06667-x). Měření proto musí uchovat dostatek informací o součásti a její tepelné historii, aby bylo možné odlišit lokální rozměrovou vadu od celkového projevu procesu.

![Souřadnicový měřicí stroj kontrolující tepelně zpracovaný ocelový hřídel](/images/uploads/2e447bac-a3c4-4790-ab32-f5b73c8eafb4/wiki-inline-a-precision-steel-shaft-being-measured-on-a-coordinate-measuring-machine-after-h-1920x1434.jpg)[](/images/uploads/2e447bac-a3c4-4790-ab32-f5b73c8eafb4/wiki-inline-a-precision-steel-shaft-being-measured-on-a-coordinate-measuring-machine-after-h-1920x1434.avif "Zvětšit obrázek — Souřadnicový měřicí stroj kontrolující tepelně zpracovaný ocelový hřídel")Dimensional inspection records the visible result of the heat-treatment history.

### Rozměrová kontrola a volba vztažných prvků

#### Postup kontroly

1. **Výchozí stav** Změřte a zaznamenejte neošetřenou součást, orientaci, stav materiálu a vztažné základny.
2. **Měření po zpracování** Porovnejte rozměry po kalení a popouštění pomocí stejné strategie vztažení.
3. **Měření ve fázi obrábění** Kontrolujte součást po hrubování a po významném úběru materiálu, abyste identifikovali uvolnění napětí.
4. **Charakterizace napětí** Použijte metodu, jejíž hloubka a směr odpovídají předpokládanému gradientu napětí.

Smysluplná rozměrová kontrola začíná ještě před ohřevem. Nezpracovaná součást by měla být změřena, označena a vyfotografována, přičemž je nutné zaznamenat její materiálový stav a orientaci. Užitečný záznam zahrnuje označení oceli, číslo tavby nebo šarže, stav po předchozím obrábění, povrchovou úpravu, orientaci v přípravku, cyklus v peci, dobu přenosu, teplotu a míchání kalicího média, cyklus popouštění a dobu mezi zpracováním a kontrolou. Archiv materiálových údajů National Institute of Standards and Technology v publikaci *Metallurgy of Heat Treatment* varuje, že neuvolněná kalicí napětí mohou během obrábění způsobit zkřivení, protože odebrání materiálu mění rovnováhu zbytkových napětí. Záznam stavu „před“ proto není volitelný, pokud po kalení následuje dokončovací broušení nebo hrubovací obrábění.

Volba vztažných prvků určuje význam každého pozdějšího výsledku. Vztažné prvky by měly být spojeny s funkčními plochami nebo stabilními geometrickými prvky, nikoli pouze s nejpohodlnější hranou. Velká plocha se může během kalení sama prohnout; použití takové plochy jako dokonalé roviny může toto prohnutí skrýt, protože souřadnicový systém se přizpůsobí vadě. U hřídele mohou referenční rámec definovat osa otáčení před tepelným zpracováním, ložisková uložení a určená čelní plocha. U desky může být vhodná kontrolovaná rovina a dvě kolmé hrany, pokud se neočekává jejich nerovnoměrná transformace. Přípravky by měly součást omezovat pouze natolik, aby ji ustavily. Nadměrné upnutí během měření může zkřivenou součást vyrovnat a místo geometrie ve volném stavu zaznamenat stav v přípravku.

Souřadnicové měřicí stroje mohou mapovat polohy otvorů, odchylku profilu, rovnoběžnost, kolmost, rovinnost a změny polohy osy. Mračno bodů je informativnější než několik maximálních hodnot, protože ukazuje, zda deformace představuje globální ohyb, lokální zvednutí hrany, ovalitu, zkroucení nebo změnu soustředěnou kolem přechodu z tlusté do tenké části. Před zpracováním i po něm by měl být použit stejný souřadnicový systém a stejná strategie snímání. Důležitá je teplotní kompenzace: ocelová součást měřená při různých teplotách může vykazovat zdánlivou rozměrovou změnu způsobenou pouze tepelnou roztažností.

U kruhových součástí je nutné kontrolovat kruhovitost a válcovitost v několika axiálních řezech. Měření pouze jednoho průměru může přehlédnout lalokovitost nebo prohnutou osu. Přímost by měla být kontrolována podél několika povodících přímek a případně podél neutrální nebo funkční osy. Kroužek si může zachovat střední průměr, ale současně se stát oválným; ozubené kolo může při jednom poloměru zachovat rozteč mezi zuby, zatímco jeho věnec se začne házet. U složitých součástí je užitečné porovnání podle řezů: porovnejte příčné profily procházející tenkými stěnami, náboji, žebry, zaobleními a masivními částmi a poté porovnejte odpovídající řezy před zpracováním a po něm. Vzorec odchylek často ukazuje na tepelný gradient nebo nesoulad transformace.

Kontrola by měla rozlišovat deformaci ve volném stavu od deformace způsobené uvolněním, řezáním nebo upnutím. Pokud je součást rozřezána pro metalografii nebo měření napětí, její rozměry by měly být zaznamenány před řezem a po každém kroku uvolnění. Důležitá může být také historie odlitku. Zprávy U.S. Department of Energy a University of Iowa spojují napětí vznikající při ohřevu a kalení ocelových odlitků s deformací, praskáním, opravami, opravami svařováním, rozměrovými chybami a sníženými provozními vlastnostmi; práce University of Iowa výslovně zahrnuje historii odlitku do predikce konečných rozměrů a napětí.

### Metody měření zbytkového napětí

Metody měření zbytkového napětí měří různé části napěťového pole.
| Metoda | Hloubka odběru vzorku nebo charakteristika | Hlavní omezení |
|---|---|---|
| Rentgenová difrakce | Deformace krystalové mřížky v blízkosti povrchu | Sama o sobě nepopisuje napěťové pole v jádře |
| Vrtání otvoru | Profil v malé hloubce získaný postupným úběrem | Polodestruktivní metoda závislá na modelu |
| Měření obrysu nebo rozřezání | Uvolnění napětí řezem | Destruktivní metoda citlivá na účinky řezání |
| Neutronová difrakce | Větší průnik do nitra | Vyžaduje specializovaný přístup a údaje o referenční mřížce |

Rentgenová difrakce (XRD) měří deformaci krystalové mřížky v blízkosti povrchu sledováním posunů difrakčních píků. Pomocí vhodných elastických konstant a vhodné difrakční roviny se tyto deformace převádějí na napětí. Metoda je obecně citlivá na povrch, takže je cenná pro nauhličené vrstvy, broušené povrchy a kalené povrchové vrstvy, sama však nemůže popsat napěťové pole ve středu tlustého průřezu. Výsledek mohou ovlivnit drsnost povrchu, krystalografická textura, zbytkový austenit, oduhličení a zvolené záření. Měření by měla být prováděna na místech vybraných z rozměrové mapy: na vypuklé a vyduté straně ohybu, v blízkosti zaoblení, v tenkých a tlustých částech a v obou hlavních směrech.

Vrtání otvoru je semidestruktivní metoda. Do součásti se postupně vytvoří malý otvor, zatímco tenzometry nebo optické metody snímají lokální elastickou relaxaci. Inverzní výpočet odhaduje původní napětí v závislosti na hloubce. Metoda vzorkuje větší hloubku než běžná XRD, stále však zůstává metodou pro oblast blízko povrchu a výpočet předpokládá definovanou geometrii, elastickou odezvu a dostatečnou znalost průběhu napětí. Otvor v blízkosti hrany, zaoblení, opravy svařováním nebo strmého gradientu tvrdosti může tyto předpoklady porušit. Samotný otvor také součást narušuje, proto musí být jeho poloha zvolena tak, aby vzniklé poškození bylo přijatelné.

Měření obrysu, rozřezání a související destruktivní metody odhalují napětí tím, že umožní relaxaci omezeného tělesa. U metod obrysu se součást rozřízne v rovině, nově obnažený povrch se změří a elastický model rekonstruuje normálové napětí, které způsobilo posunutí. Rozřezání může přímo odhalit pohyby způsobené ohybem a rozevíráním, řez však uvolní trojrozměrné napěťové pole a může vyžadovat korekce na deformaci způsobenou řezáním, plasticitu a šum měření. Tyto metody jsou účinné u tlustých průřezů a svarů, neposkytují však nedestruktivní kontrolu ve výrobě.

Neutronová difrakce může měřit deformaci krystalové mřížky ve výrazně větších hloubkách než XRD, protože neutrony pronikají do mnoha ocelí hlouběji. Může mapovat vnitřní napětí v celém průřezu bez rozřezání součásti, ovšem za podmínky dostupnosti, požadavků na měřicí objem, texturu, fázi a referenční mřížku. Je zvláště užitečná tehdy, když povrchová měření a odezva při obrábění naznačují skrytý gradient napětí. Nelze očekávat, že výsledky neutronové difrakce, XRD a vrtání otvoru se ve stejném nominálním místě shodnou, pokud nejsou jejich vzorkované objemy a hloubky srovnatelné.

### Oddělení chyby procesu od chyby měření

Neshoda mezi dvěma kontrolami automaticky neprokazuje, že se proces tepelného zpracování změnil. Nejistotu měření je nutné odhadovat odděleně od variability procesu. Zopakujte stejné měření, aniž byste součástí pohnuli, poté ji vyjměte, znovu ustavte a měření zopakujte. Rozdíl umožní oddělit opakovatelnost přístroje od účinků změny vztažného systému a vlivu obsluhy nebo přípravku. Kalibrované etalony, dohledatelné měření teploty, kvalifikace sondy a zdokumentovaný postup ustavení umožňují ověřit stabilitu souřadnicového systému.

Stav povrchu je častým zdrojem nesprávné interpretace. Okuje, oxid, oduhličený materiál, spáleniny po broušení, vrstvy po tryskání kuličkami a drsnost mohou ovlivnit jak rozměrové snímání, tak difrakci. Měřte před čištěním i po něm podle definovaného postupu a zaznamenejte jakýkoli úběr materiálu. Pokud po kalení následuje broušení, kontrolujte povrch před broušením a po každé významné etapě obrábění. Změna házení po úběru materiálu může být důsledkem uvolnění zbytkového napětí, nikoli novou vadou po kalení, zatímco změna napětí zjištěná pomocí XRD může odrážet odstranění napjaté povrchové vrstvy.

Symetrie poskytuje důležitý diagnostický prostředek. Odpovídající body na protilehlých stranách nominálně symetrické součásti by měly být porovnávány, neměly by však být bezmyšlenkovitě průměrovány. Symetrický proces by měl vytvářet symetrický výsledek; trvalý jednostranný rozdíl může ukazovat na nerovnoměrné proudění kalicího média, kontakt s přípravkem, uložení v peci nebo již existující chybu obrábění. Gradienty napětí také činí jednorázová měření nespolehlivými. Zmapujte několik hloubek, orientací a geometrických oblastí a poté porovnejte vzorec s tvrdostí, mikrostrukturou, obsahem zbytkového austenitu a zaznamenaným tepelným cyklem. Worcester Polytechnic Institute popisuje deformaci při kalení jako vzájemně propojený problém zahrnující přenos tepla, fázovou transformaci, napětí, deformaci a vývoj mikrostruktury. Stejně důsledně musí být koncipován i kontrolní systém, aby tyto účinky oddělil od chyb vzniklých samotným měřením.

## 13. Modelování a simulace deformací při tepelném zpracování

Simulace tepelného zpracování není kalkulátor rychlosti kalení s dodatečně přidanou korekcí deformace. Věrohodný model předpovídá souběžný vývoj teploty, podílů fází, deformace, napětí a geometrie během ohřevu, výdrže, kalení, popouštění a někdy i obrábění oceli. Deformace je změna tvaru nebo rozměrů; zbytkové napětí je vnitřní napětí, které zůstává po odstranění vnějších zatížení a teplotních gradientů. Jde o odlišné výsledky téže historie procesu. Součást může mít značné zbytkové napětí, ale jen malou viditelnou deformaci, nebo se po uvolnění napětí obráběním může výrazně zkroutit.

ASM International rozlišuje u kalených a popouštěných ocelí tepelné, transformační a kalicí zbytkové napětí jako samostatné přispívající faktory. Tepelné napětí vzniká v důsledku omezené roztažnosti a smršťování. Transformační napětí se vyvíjí tehdy, když různé oblasti procházejí transformací při různých teplotách a v různých okamžicích mění svůj objem. Kalicí napětí souvisí s mechanickou odezvou vyvíjející se mikrostruktury včetně změn meze kluzu a plastického toku. Simulace, která některý z těchto mechanismů opomene, může stále poskytovat hladkou křivku teploty, ale její předpověď rozměrů může být chybná.

### Součinnost tepelného, metalurgického a mechanického dění

Tepelné pole je výchozím bodem, nikoli celou odpovědí. Řešič musí vypočítat vedení tepla ocelí, sálání a konvekci na exponovaných površích, kontaktní vedení tepla v přípravcích a odvod tepla do kalicí kapaliny. Přenos tepla na povrchu se obvykle vyjadřuje okrajovou podmínkou nebo součinitelem přestupu tepla závislým na teplotě. Tento součinitel se mění během varu, nukleačního varu, přechodového varu a konvekce v kapalině nebo páře. Mění se také v závislosti na intenzitě míchání, orientaci součásti, teplotě kalicího média, chemickém složení kapaliny a místním stavu povrchu.

Přehledová studie „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels“ z roku 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* zdůrazňuje, že přenos tepla, fázová transformace, geometrie, tloušťka průřezu, volba kalicího média a intenzita kalení se vzájemně ovlivňují. Lázeň s jednotnou teplotou nevytvoří jednotnou historii ochlazování, pokud je jedna plocha zastíněná, otvor zadržuje páru nebo se silný náboj ochlazuje pomaleji než tenký věnec. Články v časopise *International Journal of Materials and Product Technology*, uvedené v částech I a II, rovněž označují nestejnoměrné tepelné gradienty za hlavní zdroj deformací při kalení a spojují zbytkové napětí s podmínkami kalení, povrchovým a cementačním kalením a konečným broušením.

Metalurgický model převádí teplotu a složení na vývoj fází. Austenit se může v závislosti na místní dráze ochlazování a prokalitelnosti transformovat na ferit, perlit, bainit, martenzit nebo zbytkový austenit. Každá transformace může vyvolat transformační deformaci zahrnující objemovou složku a u některých modelů také složku závislou na orientaci. Konstitutivní model pak kombinuje tepelnou, transformační, elastickou a plastickou deformaci:

\\\[ \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{total} = \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{elastic} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{plastic} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{thermal} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{transformation}. \\\]

Tento rozklad představuje modelový rámec, nikoli tvrzení, že deformace vznikají nezávisle na sobě. Vzájemně se ovlivňují prostřednictvím napěťového stavu a meze kluzu závislé na teplotě. Martenzitická oblast se může vytvořit v době, kdy je okolní austenit stále horký a poddajný; pozdější ochlazování může místní rozložení napětí změnit na opačné. K plastizaci vyvolané transformací může dojít také tehdy, když napětí podporuje transformaci nebo když transformační deformace podporuje plastický tok.

Mechanická vazba proto musí zahrnovat modul pružnosti závislý na teplotě a fázi, mez kluzu, chování při zpevňování, Poissonův poměr, transformační deformaci a v případě potřeby také creepovou nebo viskoplastickou odezvu. Omezení způsobená přípravky, lisovacími zápustkami, jádry nebo sousedními úseky je nutné znázornit explicitně. Volná tyč, upnutý prstenec a ozubené kolo podepřené v přípravku nebudou mít stejnou předpovězenou deformaci, ani když jsou vyrobeny ze stejné oceli a kaleny ve stejné lázni.

### Materiálová data a kinetika transformací

Materiálová data určují, zda simulace popisuje konkrétní jakost, nebo pouze obecnou ocel. Mezi běžně požadované vstupy patří chemické složení, hustota, tepelná vodivost, měrná tepelná kapacita, emisivita, teploty fázových transformací, latentní teplo, podíly fází, kinetika transformací, transformační deformace a mechanické vlastnosti každé relevantní fáze. Údaje o prokalitelnosti, například profil podle zkoušky Jominy nebo kalibrované chování při kontinuálním ochlazování, mohou pomoci určit, zda se v daném průřezu vytvoří martenzit, nebo směs bainitu a perlitu.

Kinetika musí odpovídat tepelnému cyklu. Samotná data o izotermických transformacích nemusí předpovědět chování výkovku nebo odlitku ochlazovaného kontinuálně. Modely založené na diagramech čas–teplota–transformace, diagramech transformace při kontinuálním ochlazování, vztazích typu Koistinen–Marburger nebo kalibrovaných rutinách založených na metodě fázového pole a metodě konečných prvků mají své předpoklady týkající se nukleace, inkubační doby, složení a struktury předchozích austenitických zrn. Gradienty uhlíku vzniklé při cementování, gradienty dusíku vzniklé při nitridaci a segregace z odlévání vyžadují prostorově proměnné vstupy, nikoli jediné složení přiřazené každému prvku.

Datový archiv materiálů National Institute of Standards and Technology poskytuje užitečný zdroj informací o tepelném zpracování, avšak archivní data je stále nutné ověřit s ohledem na skutečnou jakost, velikost průřezu, stav povrchu a použité zařízení. Publikované hodnoty mohly být naměřeny na vzorcích s odlišnou geometrií nebo při jiných rychlostech ochlazování. Model kalibrovaný pro kalení v oleji by neměl být bez ověření použit pro polymerní roztok, vodu, plyn nebo přerušované kalení. Okrajová podmínka kalení je součástí souboru materiálových a procesních údajů.

Kalibrace by měla porovnávat předpovězené teploty, podíly fází, tvrdost, rozměry a napětí s měřeními z konkrétního procesu. Různé části modelu lze ověřovat pomocí termočlánků, infračervených měření, jsou-li prakticky proveditelná, dilatometrie, měření průběhu tvrdosti, metalografického stanovení podílů fází, skenování na souřadnicovém měřicím stroji a rentgenové nebo neutronové difrakce. Kalibrace deformace by měla zahrnovat více charakteristik: průměr otvoru, rovinnost čelní plochy, házení, délku a úhlovou změnu. Shoda jediného konečného rozměru může zakrýt kompenzující se chyby v přenosu tepla a transformační deformaci.

Citlivost na síť je důležitá, protože tenké stěny, ostré zaoblené přechody, drážky pro pera, otvory, přechody hloubky vrstvy a kontaktní oblasti vytvářejí strmé gradienty. Smysluplnější než jednorázová volba vizuálně jemné sítě je její zjemňování do té doby, než se předpovězený konečný rozměr mění už jen nepatrně. Stejnou pozornost si zasluhují okrajové předpoklady. Dokonale symetrické ochlazování, dokonale tuhé přípravky, konstantní součinitele přestupu tepla a podpěry bez tření mohou vést k uspořádanému výsledku, který se v peci nikdy nevyskytne. Studie citlivosti by měly měnit hustotu sítě, povrchové součinitele, tuhost přípravku, tření, počáteční teplotu a parametry kinetiky fází, aby bylo možné určit, které nejistoty výsledek řídí.

### Historie odlitku a předpověď konečných rozměrů

Historie odlévání a předchozí zpracování mohou významně ovlivnit předpovězené konečné rozměry a zbytková napětí. Limited evidence

U ocelového odlitku představuje počáteční stav již existující tepelnou a mechanickou historii. Tuhnutí vytváří segregaci, dendritickou strukturu, pórovitost, zbytkové napětí a nestejnoměrnou strukturu zrn. Ochlazování po vytlučení odlitku, odstranění nálitku, hrubé obrábění, oprava svařováním a žíhání ke snížení napětí mohou změnit napěťové pole ještě před zahájením kalení. U.S. Department of Energy uvádí, že tepelné a zbytkové napětí v ocelových odlitcích může přispívat k deformacím, praskání, přepracování, opravám svařováním, rozměrovým chybám a snížení provozních vlastností. Model, který začíná s blokem bez napětí a s homogenním složením při pokojové teplotě, odstranil důkazy, které řídí značnou část pozdější odezvy.

Zpráva University of Iowa zdůrazňuje totéž z hlediska předpovědi: při odhadu konečných rozměrů a zbytkových napětí je nutné zahrnout historii odlitku. To může vyžadovat sekvenční pracovní postup. Simulace odlévání nejprve předpoví tuhnutí, ochlazování, smršťování a zbytkové napětí; výsledná teplotní, fázová, koncentrační a napěťová pole se poté stanou počátečním stavem pro austenitizaci a kalení. Následně lze modelovat hrubé obrábění odstraněním prvků nebo změnou omezení a poté provést další výpočet rovnováhy. Tato posloupnost zachycuje přerozdělení napětí, které jediný krok tepelného zpracování zachytit nemůže.

Konečná předpovězená geometrie je proto specifická pro daný proces. Závisí na uspořádání vsázky v peci, době austenitizace, prodlevě při přenosu, pohybu kalicí kapaliny, kontaktu s přípravkem, popouštění, ochlazování mezi operacemi a historii materiálu. Simulace nevytváří abstraktní hodnotu deformace náležející „oceli“ nezávisle na těchto podmínkách. Předpovídá odezvu definované geometrie, jakosti, počátečního stavu, uspořádání zařízení a procesního harmonogramu.

Toto rozlišení také vysvětluje, proč by simulace měla podporovat procesní zkoušky, nikoli nahrazovat měření. Zpráva Worcester Polytechnic Institute popisuje deformaci při kalení jako spřažený problém zahrnující přenos tepla, fázovou transformaci, napětí, deformaci a změnu mikrostruktury. Model je věrohodný tehdy, když reprodukuje naměřené chování u více než jedné součásti nebo podmínky, odhaluje dominantní citlivosti a ukazuje, kde se zbytkové napětí při obrábění uvolní. Doporučení ASM pro návrh tepelného zpracování proto považují minimalizaci deformace a nežádoucího zbytkového napětí za prvořadá konstrukční kritéria, nikoli za korekce prováděné až po procesu.

## 14. Strategie Procesu a Konstrukce pro Řízení Deformací

Řízení deformací by mělo být založeno na omezování nekompatibilních deformací, nikoli na příslibu nulové rozměrové změny. Během ohřevu a kalení se různé oblasti součásti v různých okamžicích rozpínají, smršťují, transformují a plasticky deformují. ASM International rozlišuje teplotní, transformační a kalicí zbytková napětí jako samostatné příspěvky, přestože se ve skutečné součásti vyvíjejí současně. Přehledová studie z roku 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* rovněž popisuje deformace při kalení jako vzájemné působení přenosu tepla, fázové transformace, geometrie, tloušťky průřezu, volby kalicího média a intenzity kalení.

Správně navržený proces proto omezuje rozdíly mezi sousedními oblastmi. Nespočívá pouze ve volbě rychlejšího kalicího média nebo v použití většího přídavku na obrábění.

### Konstrukční návrh pro rovnoměrný ohřev a ochlazování

Geometrie je první procesní proměnnou. Masivní náboje spojené s tenkými kotouči, náhlá ramena, ostré drážky pro pera, slepé otvory a nestejně tlusté stěny vytvářejí rozdílné rychlosti ohřevu a ochlazování. Zároveň způsobují lokální omezení deformace: jedna oblast se pokouší smrštit, zatímco jiná zůstává horká a roztažená. Výsledné napětí může způsobit plastickou deformaci ještě před vznikem martenzitu nebo se může později uvolnit při redistribuci zbytkového napětí.

Zjednodušení tvaru tyto nekompatibility omezuje. Pokud to funkční návrh dovoluje, používejte pozvolné přechody průřezů, velké zaoblovací poloměry a pokud možno rovnoměrnou tloušťku stěn. Vyhněte se náhlým změnám průřezu v blízkosti ložiskových uložení, zubů ozubených kol nebo ustavovacích ploch. Přechod, který je ve výkresu jen mírný, může mít při kalení značný vliv, protože tenčí oblast může dosáhnout teploty počátku tvorby martenzitu, zatímco tlustší oblast se stále smršťuje vlivem ochlazování. *International Journal of Materials and Product Technology* označuje nerovnoměrné teplotní gradienty během kalení za hlavní zdroj deformací při kalení.

Rovnoměrný musí být také ohřev celého vsázkového souboru. Součásti by měly být rozmístěny tak, aby kolem nich mohl cirkulovat atmosférický plyn pece, a neměly by být těsně naskládány tak, aby se vzájemně dotýkaly. Těžké koše, naskládané součásti a zastíněné povrchy mohou lokálně zpomalovat ohřev. Předehřev je užitečný v případech, kdy by se jinak mezi povrchem a jádrem vytvořil velký teplotní rozdíl, zejména u tlustých, složitých nebo vysoce legovaných součástí. Stupňovitý cyklus může omezit tepelný šok, předehřev však nenahrazuje nutnost řídit austenitizační teplotu a dobu výdrže. Nadměrné vystavení může zvětšit austenitická zrna, zvýšit oxidaci nebo oduhličení a změnit výsledný průběh transformace.

Rovnoměrnost ochlazování je stejně důležitá jako rovnoměrnost v peci. Kalicí médium by mělo dosahovat všech relevantních povrchů podobnou rychlostí, při řízené teplotě, intenzitě pohybu a čistotě. Parní obaly, stagnující kapsy, ucpané průchody a nerovnoměrné rozložení proudu při sprchovém kalení vytvářejí lokálně odlišné průběhy ochlazování. Výsledkem může být tvrdý martenzitický povrch vedle oblasti obsahující bainit, perlit nebo zbytkový austenit, doprovázený rozdílnými objemovými změnami a odlišným stavem zbytkových napětí. Pohyb kalicího média by měl odstraňovat páru a zajišťovat opakovatelný přenos tepla, aniž by nutil tenký prvek ohýbat se působením proudící kapaliny nebo manipulačních sil.

Přídavky na obrábění by měly tuto skutečnost zohledňovat. Kritické vztažné plochy mohou být ponechány s dostatečným množstvím materiálu pro dokončovací operace po kalení a popouštění, zatímco zbytečný přídavek by neměl být přidáván bez rozmyslu, protože zvyšuje tepelnou hmotu a může zvětšovat rozdíly mezi průřezy. Pozornost si zaslouží také závěrečné broušení: studie IJMPT o kalené oceli spojuje zbytkové napětí s podmínkami kalicího média, povrchovým a cementačním kalením a závěrečným broušením.

### Volba prokalitelnosti a podmínek kalení

Chemické složení oceli určuje, jak rychle se musí průřez ochlazovat, aby se zabránilo difuzním produktům a získala požadovaná mikrostruktura. Volbu by měla určovat prokalitelnost, nikoli pouze jmenovitá tvrdost. Například AISI 4140 má obecně vyšší prokalitelnost než nelegovaná uhlíková ocel s obdobným obsahem uhlíku, protože chrom a molybden zpomalují transformaci; AISI 52100 se volí pro ložiskové aplikace s vysokým obsahem uhlíku, avšak vyžaduje pečlivé řízení austenitizace a kalení, protože její karbidická struktura a velikost průřezu ovlivňují průběh transformace. Správná jakost závisí na požadovaném profilu tvrdosti, houževnatosti, odolnosti proti opotřebení, rozměrech a provozních napětích.

Volba oceli s dostatečnou prokalitelností může umožnit použití méně intenzivního kalení. Tím se zmenší teplotní rozdíl mezi povrchem a jádrem a sníží se tepelné napětí potřebné k vytvoření požadované struktury. Velmi intenzivní kalení může vést k vysoké tvrdosti povrchu, zároveň však může zvýšit deformace, riziko vzniku trhlin a zbytková napětí, aniž by zlepšilo požadované vlastnosti jádra. Naopak nedostatečná intenzita může zanechat měkké oblasti nebo nadměrné množství bainitu a perlitu. Jde o metalurgický kompromis, nikoli o obecnou preferenci oleje, vody, polymeru, plynu nebo soli.

Koncentrace kalicího média, jeho teplota, pohyb a údržba musí být specifikovány jako procesní proměnné. Polymerní roztoky mohou měnit průběh ochlazování v závislosti na koncentraci a intenzitě pohybu; viskozita a teplota oleje ovlivňují cirkulaci a přenos tepla; kalení v plynu závisí na tlaku, rychlosti proudění a expozici součásti. Kalení v soli nebo stupňovité kalení může omezit teplotní rozsah, v němž vznikají intenzivní teplotní gradienty, cyklus však stále musí zajistit požadovanou transformaci. Přehledová studie z roku 2022 v JMEP zdůrazňuje, že volbu kalicího média a intenzitu kalení nelze oddělit od geometrie a tloušťky průřezu.

Postupy povrchového a cementačního kalení vyžadují zvláštní péči. Cementování mění obsah uhlíku v oblasti pod povrchem, a tím i transformační teplotu, prokalitelnost a objemovou změnu. Nitridování vytváří zpevněnou sloučeninovou nebo difuzní vrstvu s mnohem menším objemovým podílem celkové transformace než cementování, deformace však stále mohou vznikat v důsledku předchozích obráběcích napětí, ohřevu, omezení přípravkem a následného broušení. Vakuové tepelné zpracování může zlepšit řízení atmosféry, samo o sobě však nezajišťuje rovnoměrné ochlazování, pokud je špatně uspořádána vsázka nebo je nedostatečné proudění plynu.

Popouštění by mělo po kalení následovat v rámci stanoveného procesního okna. Snižuje riziko, že nepopuštěný martenzit a kalicí napětí zůstanou zdrojem pozdějšího praskání nebo zkroucení. Pokud zbytkové napětí zůstává nepřijatelné, může být vhodné mechanické nebo tepelné odstranění napětí za předpokladu, že toto ošetření neohrozí tvrdost, hloubku zakalené vrstvy, rozměrové tolerance ani stav povrchu. Konstrukční pokyny ASM pro tepelné zpracování označují minimalizaci deformací a nežádoucích zbytkových napětí za hlavní konstrukční kritéria.

### Přípravky, orientace a posloupnost procesů

Přípravky by měly omezovat pohyb, aniž by vytvářely novou, koncentrovanou cestu přenosu zatížení. Pevné upnutí součásti, která se pokouší smrštit, může volnou deformaci nahradit vysokým zbytkovým napětím, lokálním plastickým přetvořením nebo vznikem trhlin. Pokud je to možné, podpěry by měly dosedat na pevné, funkčně nepodstatné oblasti a kontaktní tlak by měl zůstat konstantní i při změnách teploty součásti. Tenké kroužky, desky a hřídele mohou vyžadovat trny, závěsné přípravky nebo vedené podpěry, přípravek však musí umožnit zamýšlené tepelné smrštění, nikoli je zcela zablokovat.

Orientace součásti ovlivňuje účinky gravitace i přístup kalicího média. Dlouhé hřídele mohou být zavěšeny svisle, aby se omezil průhyb, zatímco ploché desky mohou vyžadovat orientaci, která zabrání tvorbě parních kapes a umožní podobné ochlazování obou ploch. Dutiny, zuby ozubených kol, drážky a otvory by měly být vůči proudění orientovány tak, aby se zabránilo zadržování páry nebo stagnaci kapaliny. Orientaci vsázky je nutné ověřit ve skutečném koši, protože sousední součásti mohou stínit povrchy a měnit lokální rychlosti ochlazování.

Stejně důležitá je posloupnost operací. Před tepelným zpracováním proveďte hrubování, ponechte řízený přídavek pro dokončení a poté po kalení a popouštění, kdy je znám stav zbytkových napětí, proveďte dokončovací obrábění nebo broušení. U velkých odlitků nebo výkovků je významné upozornění uvedené v technické zprávě z Iowy: historie odlévání ovlivňuje konečné rozměry a zbytková napětí. Struktura po tuhnutí, předchozí tepelné cykly, opravy svařováním a nerovnoměrné přídavky mohou přetrvat až do tepelného zpracování a změnit předpokládanou odezvu.

Odstranění napětí před kalením může snížit obráběcí a výrobní napětí, která by se jinak kombinovala s kalicími napětími. Operace odstranění napětí po kalení může u vhodných ocelí snížit riziko zkroucení, není však univerzálním řešením. Materiál NIST *Metallurgy of Heat Treatment* uvádí, že neodstraněná kalicí napětí mohou způsobit deformace během obrábění, pokud úběr materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí. Plán procesu by proto měl měřit kritické rozměry po každé hlavní operaci, nikoli až při závěrečné kontrole.

Správnou kombinaci geometrie, chemického složení oceli, prokalitelnosti, velikosti průřezu, požadované mikrostruktury, kalicího média, přípravku, orientace a režimu odstraňování napětí je nutné stanovit pro konkrétní součást a zařízení. Modelování může pomoci propojit přenos tepla, fázovou transformaci, napětí, přetvoření a vývoj mikrostruktury, jak popisuje Worcester Polytechnic Institute, avšak výrobní zkoušky a měření rozměrů zůstávají nezbytné, protože o tom, zda bude předpokládané přetvoření v praxi kompatibilní, často rozhoduje uspořádání vsázky a materiálová historie.

## 15. Úvahy týkající se jakosti, normy a specifikace procesu

### Proč samotné označení jakosti nepředpovídá deformaci

Jakost oceli určuje chemické složení a v některých normách také meze mechanických vlastností, čistotu, dodací stav nebo prokalitelnost. Nepředepisuje však konečný tvar součásti po tepelném zpracování. Dvě součásti vyrobené ze stejné jakosti mohou vykazovat odlišné rozměrové změny, protože se liší svou geometrií, tloušťkou průřezu, výchozí mikrostrukturou a sledem obráběcích operací.

Dlouhý štíhlý hřídel, tlustý náboj a tenká deska neprocházejí při kalení stejnou tepelnou historií. Jejich povrchy se ochlazují odlišnou rychlostí než jejich jádra a rohy, otvory, drážky pro pera a náhlé změny průřezu koncentrují tepelné a transformační deformace. Jmenovitě homogenní součást proto může obsahovat oblasti tahových a tlakových zbytkových napětí, které se uvnitř navzájem vyrovnávají, ale po odebrání materiálu přesto způsobí ohyb, ovalitu nebo lokální posun.

Označení materiálu také neuvádí skutečnou prokalitelnost oceli v konkrétním režimu pece a kalení. Chemické složení slitiny ovlivňuje průběh časově-teplotní transformace, stejně jako velikost austenitického zrna, výchozí feriticko-perlitický nebo bainitický stav, segregace, rozložení karbidů a předchozí tváření za studena. Jakost dodaná v normalizačně žíhaném stavu nebude reagovat přesně stejně jako stejná jakost dodaná ve stavu po kalení a popouštění. Historie odlévání může přidat pórovitost, segregaci a předchozí napětí; technické práce University of Iowa týkající se ocelových odlitků zdůrazňují, že tuto historii je nutné zahrnout při předpovídání konečných rozměrů a zbytkových napětí.

Přehledová práce „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review“ z roku 2022, publikovaná v *Journal of Materials Engineering and Performance*, popisuje výsledek jako vzájemné působení přenosu tepla, fázové transformace, geometrie, tloušťky průřezu, volby kalicího média a intenzity kalení. To je správný technický rámec. ASM International ve svém pojednání o zušlechtěných ocelích v publikaci *ASM Handbook* obdobně rozlišuje teplotní, transformační a kalicí zbytková napětí. Tato napětí jsou s deformací propojena: transformační deformace mohou vyvolat plastické tečení, zatímco teplotní gradienty mohou ovlivnit, kdy a kde vzniká martenzit, bainit nebo perlit.

Označení, jako je **42CrMo4** podle **EN 10083-3** nebo **AISI 4140** podle příslušné specifikace ASTM či SAE, by proto mělo být zaznamenáno přesně podle specifikace, nemělo by však být považováno za záruku proti deformaci. Neformální názvy a obchodní označení mohou zakrývat rozdíly v mezích chemického složení, tvaru výrobku, dodacím stavu a požadované prokalitelnosti. Norma je důležitá; stejně důležitý je však i skutečný atest materiálu.

### Specifikace pro prokalení průřezu a povrchové kalení

Požadavek na prokalení průřezu by měl uvádět více než jen „zakalit a popustit“. Měl by stanovit austenitizační teplotu nebo přípustný rozsah, způsob ohřevu, základ pro stanovení doby výdrže, dobu přenosu, kalicí médium, jeho pohyb, teplotu kalicí lázně, teplotu popouštění, dobu popouštění a požadovanou tvrdost nebo mikrostrukturu v definovaných místech. Požadavek musí obsahovat také velikost průřezu, protože hodnota tvrdosti naměřená v blízkosti povrchu vypovídá jen málo o středu velkého průřezu.

Ocel s vysokým obsahem uhlíku nebo legovaná ocel může v malém průřezu vytvořit martenzit, avšak ve středu tlustého průřezu pouze smíšenou strukturu. Tento rozdíl mění jak objemovou změnu, tak vývoj napětí. Kalení s intenzitou dostatečnou pro dosažení požadované tvrdosti jádra může zvýšit teplotní gradienty mezi povrchem a jádrem, riziko trhlin i deformaci. Mírnější nebo přerušované kalení může gradienty snížit, ale nemusí splnit stanovený transformační rozsah. Specifikace musí tento kompromis řešit, nikoli přenášet odpovědnost na samotné označení jakosti.

Povrchové kalení přináší další proměnné. Cementování, karbonitridování, nitridování a indukční kalení vytvářejí kalenou vrstvu nad jádrem s odlišnou strukturou, proto by měla být specifikována hloubka vrstvy, stav povrchu z hlediska obsahu uhlíku nebo dusíku, mez obsahu zbytkového austenitu, tvrdost jádra a průběh přechodové oblasti. Literatura *International Journal of Materials and Product Technology* uvádí povrchové kalení a kalení vrstvy spolu s podmínkami kalicího média a konečným broušením jako faktory přispívající ke vzniku zbytkových napětí. Cementované ozubené kolo se může deformovat v důsledku transformace vrstvy, transformace jádra, geometrie zubů a tepelného působení souvisejícího s cementováním, i když jeho objemová jakost zůstává nezměněna.

U indukčního nebo plamenového kalení mohou ohřátou oblast a sled transformací měnit frekvence, měrná hustota výkonu, rychlost posuvu, překrytí, uspořádání postřiku a počáteční teplota. U nitridování může požadavek na sloučeninovou vrstvu a tvrdost difuzní zóny řídit rozměrový růst jinak než martenzitická vrstva. Důležitý je také zbytkový austenit: jeho pozdější transformace během provozu, popouštění, broušení nebo skladování může změnit rozměry po počátečním kalení.

Pokyny ASM pro návrh tepelného zpracování uvádějí minimalizaci deformace a nežádoucích zbytkových napětí jako hlavní konstrukční kritéria, nikoli jako otázky kontroly, které je třeba řešit až po zpracování. Pojednání IJMPT z roku 2005 o nerovnoměrných teplotních gradientech je označuje za hlavní zdroj deformace při kalení. Pokud ovlivňují rovnoměrnost ochlazování, musí proto specifikace procesu zahrnovat geometrii, upnutí, uspořádání vsázky, pohyb kalicího média a orientaci součásti.

### Zaznamenávání úplného stavu po tepelném zpracování

Užitečný záznam propojuje specifikaci materiálu se skutečnou tepelnou a mechanickou historií. Minimálně by měl uvádět normu a označení jakosti, tvar výrobku, číslo tavby nebo odlitku, dodací stav, velikost průřezu a případný požadavek na prokalitelnost. Dále by měl zaznamenávat úplný cyklus: typ pece a atmosféru, způsob uložení vsázky, fáze předehřevu, austenitizační teplotu, dobu na této teplotě, prodlevu při přenosu, identifikaci a koncentraci kalicího média, teplotu lázně, její pohyb nebo průtok, způsob přerušení a režim popouštění.

Záznam by měl rovněž definovat, co se považuje za úspěšný výsledek. Místa měření tvrdosti, mikrostruktura jádra a povrchu, hloubka vrstvy, mez obsahu zbytkového austenitu, přímost, kruhovitost, házivost, rovinnost a přípustná rozměrová změna by měly být měřitelné podle stanovených kritérií. Kontrola před zpracováním a po něm by měla, pokud možno, používat stejné základny, protože změna základen může zaměnit pohyb způsobený tepelným zpracováním za chybu obrábění.

Do záznamu patří také sled obráběcích operací. Publikace *Metallurgy of Heat Treatment*, archivovaná National Institute of Standards and Technology, uvádí, že neodstraněná kalicí napětí mohou při obrábění způsobit zkroucení, když odebrání materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí. Hrubování před kalením, odstranění napětí mezi operacemi, přídavek na broušení a konečný směr broušení proto mohou změnit zjištěný výsledek, aniž by se změnila jakost oceli nebo receptura kalení.

U.S. Department of Energy uvádí, že napětí vznikající při ohřevu a kalení ocelových odlitků mohou přispívat k deformaci, praskání, opravám, opravám svařováním, rozměrovým chybám a snížení provozních vlastností. Zpráva Worcester Polytechnic Institute obdobně pojednává o deformaci při kalení jako o propojeném problému zahrnujícím přenos tepla, transformaci, napětí, deformaci a vývoj mikrostruktury. Záznamy o procesu by měly uchovávat dostatek informací pro porovnání těchto proměnných mezi jednotlivými vsázkami. Samotný atest jakosti to zajistit nemůže.

## 16. Diagnostický rámec pro poruchy vedoucí k deformacím

Poruchu vedoucí k deformaci je třeba považovat za problém vyplývající z historie procesu, nikoli za důkaz, že kalicí médium bylo příliš intenzivní. Konečný tvar součásti zaznamenává několik dějů současně: ohřev, tepelnou roztažnost, fázovou transformaci, plastickou deformaci, kalení, popouštění, obrábění a někdy také broušení. Zbytkové napětí a deformace jsou vzájemně provázané, nejsou však totožné. Součást může splňovat rozměrový limit a přitom si zachovávat nebezpečné tahové napětí, nebo se může po obrábění zdeformovat, když řezná operace uvolní rovnováhu napětí, která do té doby zůstávala skrytá.

Prvním úkolem je definovat vadu pomocí měření. Zaznamenejte velikost a směr průhybu, úhlovou změnu spojenou s kroucením, rozměrovou změnu mezi základními prvky a umístění i orientaci případné trhliny. Popis pomocí pravítka, například „hřídel se ohnula“, je nedostatečný. Změřte házení na několika místech, zmapujte rovinnost po celém povrchu a určete, zda je chyba symetrická podle podélné osy součásti. Pokud jsou k dispozici záznamy, porovnejte stav po kalení, po popouštění, po hrubém obrábění a po dokončovacím broušení. Z posloupnosti často vyplývá, kdy se vada objevila.

### Klasifikace průhybu, kroucení, růstu a vzniku trhlin

Průhyb je chyba zakřivení, která běžně vzniká tehdy, když jedna strana desky, hřídele, zubu nebo nosníku podléhá jiné tepelné nebo transformační deformaci než protilehlá strana. Velký poměr průměru k tloušťce, excentricky rozmístěný vzor otvorů, nerovnoměrná hloubka cementované vrstvy nebo kontakt s přípravkem mohou způsobit, že se tato nerovnováha projeví určitým směrem. Průhyb, který se po otočení součásti převrátí, může souviset s oporou při měření nebo s gravitací; průhyb, který při každé orientaci sleduje stejný materiálový prvek, je pravděpodobněji metalurgického nebo geometrického původu.

Kroucení je odlišný jev. Ukazuje na proměnlivost deformace kolem podélného nebo obvodového směru. Šroubovicová deformace hřídele může vzniknout v důsledku nesymetrického proudění kalicího média, přerušovaného kontaktu s přípravkem, nerovnoměrné hloubky nauhličené vrstvy nebo uvolnění torzního napětí během transformace. Součást s drážkami pro pera, ozubením, drážkováním nebo nerovnoměrnou tloušťkou stěn je obzvláště citlivá, protože rozložení její hmoty mění lokální rychlost ochlazování.

Růst nebo smrštění je třeba rozdělit na tepelnou, transformační a obráběcí složku. Vznik austenitu obecně mění objem jinak než následný vznik martenzitu, bainitu nebo perlitu a výsledná rozměrová změna závisí na obsahu uhlíku, chemickém složení slitiny, rychlosti ochlazování a zbytkovém austenitu. Cementované ozubené kolo z oceli SAE 8620 proto nelze posuzovat podle stejného očekávaného rozměrového chování jako průběžně kalenou hřídel z oceli AISI 4140. Relevantním výsledkem není pouze to, zda je součást „větší“, nebo „menší“, ale změna každého kontrolovaného rozměru a její vztah k mikrostruktuře.

Vznik trhlin představuje samostatnou třídu poruch, ačkoli k němu mohou přispívat stejná napětí, která způsobují zkroucení nebo průhyb. Kalicí trhliny často sledují koncentrátory napětí, ostré rohy, drážky pro pera, popálení při broušení nebo oblasti s vysokou tvrdostí a nízkou houževnatostí. Mezikrystalové trhliny nebo síťové trhliny mohou poukazovat spíše na přehřátí, nadměrný růst zrna, poškození při cementování nebo křehnutí než pouze na intenzitu kalení. Zaznamenejte počátek trhliny, její orientaci a hloubku a také to, zda souvisí s oduhličením, zbytkovým austenitem, karbidy nebo poškozením při broušení. Kontrola magnetickou práškovou metodou, kapilární kontrola, metalografické výbrusy a analýza lomu by měly zodpovědět různé části této otázky.

### Sledování tepelné a transformační historie

Po definování vady ji porovnejte s geometrií a rozložením hmoty. Označte tenké stěny, nálitky, žebra, otvory, zuby, slepé dutiny, ostré přechody a masivní průřezy. Tyto prvky řídí tok tepla a mohou vytvářet lokální rozdíly v počátku a dokončení transformace. Přehled autorů z roku 2022 s názvem *Zbytkové napětí a deformace během kalení ocelí: přehled* v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* popisuje přenos tepla, fázovou transformaci, geometrii, tloušťku průřezu, volbu kalicího média a intenzitu kalení jako vzájemně se ovlivňující proměnné. Toto vzájemné působení by mělo řídit vyšetřování.

Před změnou kalení zkontrolujte záznamy o peci. Ověřte teplotu vsázky, dobu prodlevy, potenciál atmosféry, homogenitu pece, umístění termočlánku, hmotnost vsázky, uspořádání táců a vzdálenosti mezi součástmi. Pec může splňovat požadavek na homogenitu prázdné komory, zatímco v hustě naskládané vsázce vznikají značné teplotní rozdíly mezi jednotlivými součástmi i mezi povrchem a jádrem. Porovnejte součásti z horní, střední a okrajové části vsázky. Pokud vadu vytváří pouze jedna poloha, důkazy ukazují spíše na problém s nakládáním nebo prouděním než na univerzální reakci materiálu.

Poté zrekonstruujte průběh kalení. Zaznamenejte dobu přenosu, teplotu lázně nebo polymeru, intenzitu míchání či pohyb trysek, orientaci při ponoření, rozestupy mezi součástmi a to, zda mohly vzniknout parní obaly nebo zachycené kapsy. Časopis *International Journal of Materials and Product Technology* označuje nerovnoměrné teplotní gradienty za hlavní zdroj deformací při kalení, zatímco související diskuse spojuje zbytkové napětí s podmínkami kalení, povrchovým a cementačním kalením a konečným broušením. Chladicí křivky nebo instrumentované zkušební součásti mohou ukázat, zda se povrch ochlazoval rychle, zatímco jádro zůstávalo horké, nebo zda jedna strana podléhala účinnějšímu přenosu tepla.

Ověřte výsledek metalurgickými metodami. Profily tvrdosti by měly podle možností daných velikostí průřezu zahrnovat povrch, podpovrchovou oblast i jádro. Zkoumejte velikost původního austenitického zrna, rozložení martenzitu nebo bainitu, zbytkový austenit, karbidy, oduhličení, hloubku cementované vrstvy a případné měkké pásy. Hodnota tvrdosti v mezích specifikace nedokazuje, že transformace proběhla rovnoměrně. U cementovaného ozubeného kola například změřte hloubku vrstvy na několika zubech a po obvodu, nikoli pouze na jednom výbrusu.

Měření zbytkového napětí je odůvodněné tehdy, když rozměrové uvolnění, vznik trhlin, únavové vlastnosti nebo opakované pohyby při obrábění nelze vysvětlit pouze geometrií a tvrdostí. Rentgenová difrakce může charakterizovat napětí v blízkosti povrchu; metoda odvrtávání otvoru poskytuje profil do malé hloubky; neutronové nebo synchrotronové metody mohou při dostupnosti zkoumat hlubší oblasti. Každý výsledek interpretujte s ohledem na hloubku a směr měření. Tlakové napětí na povrchu nevylučuje tahové napětí pod cementovanou vrstvou nebo v přechodové oblasti.

### Nápravná opatření bez slepé změny jediné proměnné

Porovnejte více vadných a úspěšných součástí, nikoli pouze jednu výraznou poruchu. Každou součást přiřaďte k její poloze v peci, tavbě, předchozímu způsobu obrábění, dávce kalení, cyklu popouštění a výsledku kontroly. Pokud je to relevantní, prověřte také historii výroby oceli a odlitku: segregace, pórovitost, předchozí stupeň kování, oprava svařováním nebo nerovnoměrné odebírání materiálu mohou ovlivnit jak tok tepla, tak pole zbytkového napětí. Zprávy U.S. Department of Energy a University of Iowa o ocelových odlitcích spojují napětí při ohřevu a kalení s deformacemi, vznikem trhlin, opravami, opravami svařováním a provozními vlastnostmi a zdůrazňují, že historie odlitku patří do predikcí rozměrů.

Nápravné opatření by mělo měnit kontrolovaný soubor proměnných a současně zachovat srovnávací skupinu. Mezi možná opatření patří zlepšení symetrie vsázky, přidání podpěr, které neomezují transformační deformaci, změna orientace součásti, zdokonalení postupu austenitizace, použití vhodného předehřevu, úprava intenzity míchání nebo teploty kalicího média, zavedení přerušovaného kalení nebo změna režimu popouštění. Žádná možnost by neměla být zvolena pouze na základě údajů o deformaci; následně je nutné ověřit tvrdost, mikrostrukturu, přítomnost trhlin a zbytkové napětí.

Změna intenzity kalicího média jako jediného parametru může vyměnit průhyb za vznik trhlin nebo zmenšit jednu rozměrovou chybu a současně zvýšit podíl zbytkového austenitu a pozdější růst rozměrů. Pomalejší ochlazování může omezit teplotní gradienty, ale umožnit vznik měkčích transformačních produktů; rychlejší ochlazování může zlepšit odezvu na prokalitelnost a současně zvýšit transformační napětí. Jak vysvětluje zpráva Worcester Polytechnic Institute, deformace při kalení je výsledkem provázání přenosu tepla, fázové transformace, napětí, deformace a vývoje mikrostruktury. Správná diagnóza proto sleduje celý řetězec a následně upravuje proces v místě, kde důkazy identifikují rozhodující nerovnováhu.

## 17. Klíčová rozlišení a běžné mylné představy

Deformace při tepelném zpracování a zbytkové napětí spolu souvisejí, ale nejde o zaměnitelné popisy téhož stavu. Součást může vykazovat jen malou měřitelnou změnu tvaru, přesto v ní může zůstat značné vnitřní napětí; případně se může deformovat až po obrábění, i když původní napětí nebylo na povrchu patrné. Správné posouzení vychází ze zdrojů deformace: tepelných gradientů, fázových přeměn, plastické deformace, geometrie, tloušťky průřezu, historie materiálu a procesu kalení.

Publikace ASM International *Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels* označuje tepelné, transformační a kalicí zbytkové napětí za samostatné přispívající faktory. Přehledová studie z roku 2022 „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels“, publikovaná v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance*, rovněž pojednává o přenosu tepla, fázové přeměně, geometrii, tloušťce průřezu, volbě kalicího média a intenzitě kalení jako o vzájemně se ovlivňujících proměnných, nikoli jako o izolovaných příčinách.

### Deformace není synonymem zbytkového napětí

Deformace je změna rozměrů nebo geometrie součásti: hřídel se ohne, kroužek se stane oválným, u desky vznikne miskovité prohnutí nebo se otvor posune ze své zamýšlené polohy. Zbytkové napětí je vnitřní napěťové pole, které zůstává po odstranění vnějších zatížení a teplotních rozdílů. V jedné oblasti může být tahové a v jiné tlakové; napětí se v součásti vzájemně vyrovnává, aniž by způsobilo zjevnou změnu celkových rozměrů.

Oba stavy se propojí tehdy, když zbytkové napětí způsobí plastickou deformaci. Během kalení se povrch ochlazuje a smršťuje dříve, než se s ním může smrštit teplejší jádro. Pokud místní napětí překročí mez kluzu závislou na teplotě, zůstane trvalá deformace. Později se rovnováha znovu změní v důsledku martenzitické přeměny, protože martenzit zaujímá větší objem než výchozí austenit. Součást tedy může po kalení vykazovat jak změněný tvar, tak samovyvážené napěťové pole.

Výsledek zkoušky tvrdosti toto rozlišení neřeší. Cementovaný ozubený převod z oceli AISI 8620 může splňovat stanovenou povrchovou tvrdost, a přesto vykazovat odchylku v ohybu, zbytkový austenit nebo škodlivý gradient napětí pod povrchem. Hřídel z oceli AISI 4140 může po kalení v oleji a popouštění dosáhnout požadované tvrdosti, a přesto se pohnout po vyfrézování drážky pro pero nebo odebrání přídavku. Publikace *Metallurgy of Heat Treatment*, uchovávaná v archivu materiálových dat National Institute of Standards and Technology, konkrétně popisuje zkřivení během obrábění, kdy odstranění materiálu naruší rovnováhu zbytkových napětí.

Povrchová rentgenová difrakce nebo měření metodou odvrtávání otvoru mají rovněž svá omezení. Popisují oblast blízko povrchu, nikoli automaticky stav napětí v celém průřezu až k jádru. U tlustého výkovku, odlitku nebo cementované součásti s výrazným gradientem napětí může být zapotřebí neutronová difrakce, metoda kontur, rozřezání nebo validované procesní modely. Naměřená hodnota na povrchu může mít dokonce opačné znaménko než hodnota v jádře.

### Kalení není jediným zdrojem změny rozměrů

Kalení bývá často označováno za příčinu, protože při něm dochází k rychlým změnám teploty, avšak změna rozměrů začíná ještě před vložením součásti do kalicího média. Ohřev může uvolnit napětí vzniklá při obrábění, změnit rozložení karbidů a způsobit nerovnoměrnou roztažnost. Odlitek může již obsahovat zbytková napětí vzniklá tuhnutím, nerovnoměrným ochlazováním, lokálními přehřátými místy, nálitky, opravami svařováním nebo hrubým obráběním. Zprávy U.S. Department of Energy a University of Iowa o ocelových odlitcích dávají tato tepelná a zbytková napětí do souvislosti s deformacemi, praskáním, přepracováním, opravami svařováním, rozměrovými chybami a sníženou provozní výkonností. Historie odlitku proto musí být zahrnuta do každé predikce konečných rozměrů.

Deformační účinky fázových přeměn se neomezují na martenzit. Perlit, bainit, ferit a martenzit vznikají v různých teplotních rozmezích a mají různé měrné objemy. Transformační plasticita může nastat tehdy, když fázová přeměna probíhá za působení napětí, a umožnit deformaci při napětích nižších, než je běžná mez kluzu. Zbytkový austenit se může později přeměnit během popouštění, chlazení, provozního zatěžování nebo působením tepla při broušení, což způsobí další roztažení nebo místní změnu tvaru. U cementovaných ocelí, jako jsou AISI 52100 nebo AISI 8620, mění gradient obsahu uhlíku od povrchu k jádru prokalitelnost, teploty přeměn, objemový podíl martenzitu i obsah zbytkového austenitu.

Geometrie určuje, jak se tyto účinky rozvíjejí. Tenké žebro se ochlazuje rychle, zatímco masivní náboj zůstává horký; ostrý roh soustřeďuje tok tepla a napětí; otvor mění ochlazovací plochu a omezení deformace v daném průřezu. Důležitá je intenzita a rovnoměrnost kalení, ale také teplota kalicího média, jeho pohyb, míchání, orientace součásti, hustota uložení a chování parního filmu. Přehledová studie z roku 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* tyto vzájemné působení přímo popisuje. Zpráva Worcester Polytechnic Institute představuje deformaci při kalení jako sdružený problém zahrnující přenos tepla, fázovou přeměnu, napětí, deformaci a vývoj mikrostruktury.

Obrábění a broušení mohou přidat další fázi změny rozměrů. Nerovnoměrné odebírání přídavku odhaluje nebo redistribuuje napětí, zatímco při broušení může při nedostatečné regulaci tepla vzniknout mělká tepelně ovlivněná vrstva a napětí související s fázovými přeměnami. Články I a II publikované v *International Journal of Materials and Product Technology* označují nerovnoměrné tepelné gradienty za hlavní zdroj deformace při kalení a pojednávají o podmínkách kalicího média, povrchovém a cementačním kalení, zbytkovém austenitu a finálním broušení.

### Odstranění napětí nezaručuje rozměrovou stabilitu

Popouštění snižuje část napětí vzniklých při kalení a mění martenzitickou strukturu, neodstraňuje však všechny složky napětí ani nezaručuje, že rozměry zůstanou neměnné. Výsledek závisí na teplotě a době popouštění, rovnoměrnosti ohřevu a ochlazování, tloušťce průřezu, chemickém složení slitiny, předchozí přeměně a množství zbytkového austenitu. Popouštění při nízké teplotě může ponechat značné napětí; tepelné zpracování při vyšší teplotě může vyvolat další zotavení, vylučování karbidů nebo přeměnu nestabilního austenitu.

Mechanické odstraňování napětí má podobné omezení. Vibrační zpracování, protahování nebo řízené tepelné cyklování mohou redistribuovat napětí, aniž by napravily nevhodnou geometrii, nerovnoměrnou mikrostrukturu nebo vadu odlitku. Odstranění napětí může také odhalit pohyb, který byl dříve omezen.

Publikace ASM International *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* označuje minimalizaci deformací a nežádoucích zbytkových napětí za hlavní konstrukční kritéria, nikoli za výsledky, které automaticky vyplývají z dosažení požadované tvrdosti. Rozměrová stabilita vyžaduje řízení procesu a ověřování: měření před tepelným zpracováním a po něm, kontrolu kritických tvarových prvků, zohlednění pořadí obrábění, posouzení zbytkového austenitu, je-li to relevantní, a volbu metod měření napětí, které reprezentují hloubku a geometrii součásti. Profil tvrdosti je užitečným dokladem fázové přeměny, není však důkazem, že je přijatelné celé napěťové pole nebo konečný tvar.

## 18. Referenční tabulky a praktický kontrolní seznam

Záznamy o tepelném zpracování je třeba číst jako řetězec příčin, nikoli jako izolované hodnoty teploty v peci a kalení. ASM International rozlišuje teplotní, transformační a zbytková napětí vznikající při kalení, zatímco přehled publikovaný v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance* popisuje přenos tepla, fázovou přeměnu, geometrii, tloušťku průřezu, volbu kalicího média a intenzitu kalení jako vzájemně se ovlivňující proměnné. Součást tedy může splnit požadovanou tvrdost a přesto se během obrábění, broušení nebo provozu deformovat.

### Tabulka mechanismů a příznaků

| Mechanismus nebo podmínka | Pravděpodobný pozorovaný jev | Co ověřit před stanovením příčiny |
|---|---|---|
| Nerovnoměrné ochlazování povrchu, přerušované promíchávání nebo rozdílná místní tloušťka průřezu | Prohnutí, zkroucení, ovalita, kuželovitost nebo nerovnoměrná deformace po kalení | Orientaci součásti, uložení v přípravku, proudění kalicího média, chování parního filmu, ostré přechody, otvory a změny z tenkého na tlustý průřez |
| Tepelná kontrakce probíhající před ochlazením jádra | Tahové napětí na povrchu, tlakové napětí v jádře, rozměrová změna nebo lokální plastické přetvoření | Teplotní průběh napříč průřezem, součinitele přestupu tepla a to, zda byla součást omezena v pohybu |
| Transformační deformace při vzniku martenzitu, bainitu nebo perlitu z austenitu | Narůstání rozměrů, smrštění, změna velikosti otvoru, změna délky nebo změna tvaru, která neodpovídá pouze tepelné kontrakci | Jakost oceli, obsah uhlíku a legujících prvků, prokalitelnost, posloupnost přeměn, rychlost ochlazování a teploty začátku přeměny |
| Rozdílná doba přeměny na povrchu a v jádře | Ohýbání, deformace v okolí osazení, gradienty zbytkových napětí nebo opožděný pohyb během popouštění | Tloušťku průřezu, hloubku zakalené vrstvy, mikrostrukturu jádra, zbytkový austenit a rovnoměrnost teploty |
| Vysoká intenzita kalení nebo příliš velký teplotní rozdíl | Trhliny po kalení, trhliny v rozích, brusné trhliny nebo náhlé porušení během kontroly | Typ, teplotu a koncentraci kalicího média, pohyb, dobu přenosu, čistotu součásti a poloměry rohů |
| Redistribuce zbytkových napětí během úběru materiálu | Obráběná plocha se posune, otvor se uzavře nebo otevře, případně se původně rovná součást ohne | Množství materiálu odebrané z každé strany, přídavek na hrubovací obrábění, operaci na odstranění napětí a pořadí operací |
| Přeměna zbytkového austenitu po kalení | Opožděné zvětšování rozměrů, změna tvrdosti nebo pohyb během popouštění, zpracování při teplotách pod bodem mrazu či provozu | Konečnou teplotu kalení, obsah legujících prvků, režim popouštění, měření zbytkového austenitu a uplynulou dobu |
| Lokální zahřátí při broušení nebo nadměrný úběr materiálu | Popouštěcí výpal, tahové napětí na povrchu, brusné trhliny nebo rozměrová kuželovitost | Specifikaci brusného kotouče, orovnávání, přívod chladicí kapaliny, dobu kontaktu, jiskření naprázdno a kontrolu výpalu |
| Historie odlévání, kování, svařování nebo předchozího obrábění | Deformace, která se liší mezi jmenovitě identickými součástmi | Výchozí mikrostrukturu, segregaci, vměstky, předchozí odstranění napětí, rovnání a materiálové certifikáty |

Tato tabulka je diagnostickou pomůckou, nikoli náhradou za metalografii nebo změřený teplotní průběh. Nerovnoměrné ochlazování nejpříměji ukazuje na deformaci, transformační deformace na narůstání rozměrů nebo změnu tvaru a redistribuce zbytkových napětí na pohyb během obrábění. Nadměrná tepelná nebo transformační napětí zvyšují riziko vzniku trhlin, jejich vznik však závisí také na vadách, geometrii, stavu povrchu a citlivosti oceli k porušení.

### Kontrolní seznam záznamů o procesu

#### Základní údaje výrobního procesu

- **Materiál** Zaznamenejte přesné označení, formu výrobku, číslo tavby nebo odlitku, chemické složení a předchozí stav.
- **Geometrie** Zaznamenejte tloušťku průřezu, přechody, otvory, zaoblení, vztažné základny a přídavek na obrábění.
- **Ohřev** Zaznamenejte pec, uspořádání vsázky, atmosféru, fáze předehřevu, rychlost nárůstu teploty a stav austenitizace.
- **Kalení** Zaznamenejte médium, teplotu, koncentraci nebo viskozitu, míchání, orientaci a prodlevu při přenosu.
- **Dokončování** Zaznamenejte popouštění, úběr přídavku na obrábění, podmínky broušení a fáze kontroly.

Před volbou vysvětlení souvisejícího s tepelným zpracováním zaznamenejte stav materiálu. Přesně uveďte označení tak, jak bylo dodáno, například AISI 4140, ASTM A681 D2 nebo ASTM A295 52100, a zaznamenejte příslušnou výrobkovou normu, číslo tavby, chemický rozbor, předchozí žíhaný nebo normalizovaný stav, velikost zrna, segregaci, vměstky a předchozí tváření za studena. Samotná jmenovitá jakost není při porovnávání výsledků od různých dodavatelů nebo podle různých norem dostačující.

U geometrie zachovejte revizi výkresu a změřte celkové rozměry, tloušťky průřezů, poměry délky k průměru, tloušťku stěny, otvory, drážky pro pera, závity, zaoblení, drážky, ostré rohy, nesouměrnost, soustavu základen a přídavek na obrábění. Uveďte, zda byla součást před tepelným zpracováním kovaná, válcovaná, odlitá, svařovaná nebo smontovaná. Technická zpráva University of Iowa o ocelových odlitcích ukazuje, proč musí historie odlévání zůstat součástí posuzování konečných rozměrů a zbytkových napětí.

Záznamy o ohřevu by měly obsahovat identifikaci pece, stav kalibrace, hmotnost vsázky, způsob uložení vsázky, podpěrné body, atmosféru nebo úroveň vakua, fáze předehřevu, rychlosti ohřevu, dobu obnovení teploty pece a podle dostupnosti také měření teploty součásti. U austenitizace zaznamenejte cílovou teplotu, dobu na teplotě, odhadované nebo změřené vyrovnání teploty v jádře, uhlíkový potenciál, pokud je relevantní, chemické složení atmosféry, stav povrchu a to, zda před kalením proběhlo cementování, karbonitridace, nitridace nebo zpracování ve vakuu.

Záznamy o kalení musí obsahovat více než jen název média. Uveďte složení oleje, vody, polymeru, solanky, plynu nebo solné lázně; teplotu kalicího média; koncentraci nebo viskozitu; rychlost a směr promíchávání; rovnoměrnost proudění; prodlevu při přenosu; uspořádání vsázky; orientaci při ponoření a jakékoli přerušení nebo zpoždění. Články v časopise *International Journal of Materials and Product Technology* označují stav kalicího média, intenzitu kalení, povrchové kalení a kalení do vrstvy i konečné broušení za relevantní faktory zbytkových napětí.

U popouštění zaznamenejte dobu přenosu od kalení, popouštěcí teplotu, dobu setrvání součásti na teplotě, počet cyklů, rovnoměrnost teploty v peci, způsob chlazení a případné kryogenní nebo stabilizační zpracování. Tvrdost měřte podle místa, nikoli pouze na základě jediného měření na povrchu. Zahrňte rozměrová měření před tepelným zpracováním, po kalení, po popouštění, po hrubovacím obrábění, po dokončovacím obrábění a po broušení.

Záznamy o obrábění by měly uvádět změny základen, množství materiálu odebrané v jednotlivých operacích, upínací síly, deformaci v přípravku, dráhu nástroje a dobu mezi hrubováním a dokončováním. Záznamy o broušení by měly obsahovat typ kotouče, interval orovnávání, přísuv, rychlost příčného posuvu, chladicí kapalinu, jiskření naprázdno a kontrolu teploty povrchu nebo výpalu. Kontrola by měla zahrnovat mapování tvrdosti, rozměrové základny, přímost, kruhovitost, házení, povrchové trhliny, výsledky zkoušky magnetickou práškovou metodou nebo kapilární zkoušky, zbytkový austenit, pokud je relevantní, a měření zbytkových napětí, pokud to odůvodňuje míra rizika.

Vstupy pro simulaci musí uvádět chemické složení nebo jakost oceli, údaje o fázových přeměnách, vlastnosti závislé na teplotě, latentní teplo, elasticko-plastická konstitutivní data, transformační deformaci, kinetiku přeměn, prokalitelnost, počáteční mikrostrukturu, kontaktní podmínky, chování kalicího média z hlediska přestupu tepla, promíchávání, omezení způsobené přípravkem, citlivost na síť, skutečnou geometrii pece a vsázky. Model, který opomíjí transformační deformaci, může předpovědět ochlazování, ale přehlédnout hlavní zdroj změny tvaru.

### Otázky pro interpretaci publikovaných údajů

Nejprve se ptejte, jaká ocel a v jakém stavu výrobku byly zkoušeny. „Nástrojová ocel“ může znamenat ASTM A681 D2, AISI H13 nebo jiný materiál s odlišnou prokalitelností a odlišným průběhem přeměn. Byl vzorkem tenký zkušební vzorek, prstenec, ozubené kolo, odlitek nebo kovaná tyč? Tloušťka průřezu a geometrie mohou změnit teplotní gradient natolik, že se zdánlivý účinek nastavení kalení obrátí.

Dále se ptejte, zda uvedená teplota představuje teplotu v peci, teplotu povrchu nebo teplotu jádra. Bylo promíchávání kalicího média měřeno, nebo pouze popsáno jako „střední“? Byly řízeny koncentrace, viskozita, teplota lázně, doba přenosu a uspořádání vsázky? Bez těchto údajů nelze číselnou hodnotu deformace přenášet na jiné podmínky.

Ověřte metodu měření a soustavu základen. Uvedená změna délky může zahrnovat pružné odpružení, uvolnění z přípravku, přeměnu zbytkového austenitu nebo měřicí referenci odlišnou od výrobního výkresu. Určete, zda byl výsledek získán po kalení, po popouštění, po obrábění nebo po broušení.

Nakonec oddělte důkazy od doporučení. Výsledek v přehledu *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* z roku 2022 podporuje uvažování o vzájemně propojených procesech; nestanovuje však univerzální intenzitu kalení ani přípustnou deformaci. Žádný číselný limit deformace ani univerzální nastavení procesu by neměly být přenášeny mezi součástmi bez ověření jakosti oceli, normy, geometrie, zařízení a historie tepelného zpracování.

**Stručná reference:** nerovnoměrné ochlazování → deformace; transformační deformace → narůstání rozměrů nebo změna tvaru; redistribuce zbytkových napětí → pohyb během obrábění; nadměrná tepelná nebo transformační napětí → riziko vzniku trhlin. Tyto souvislosti podporují ASM International, přehled publikovaný v roce 2022 v časopise *Journal of Materials Engineering and Performance*, zpráva Worcester Polytechnic Institute o propojeném přenosu tepla a změnách mikrostruktury, archiv materiálových údajů National Institute of Standards and Technology a studie v časopise *International Journal of Materials and Product Technology*.

## Zdroje

1. \[1\] Authors in the review. [Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x). Journal of Materials Engineering and Performance, 2022. [](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#wiki-cite-ref-1) https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x
2. \[2\] Authors of the IJMPT discussions. [Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II](<https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942>). International Journal of Materials and Product Technology, 2005. [](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#wiki-cite-ref-2) https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942
3. \[3\] Worcester Polytechnic Institute report authors. [Distortion and Residual Stress](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf). Worcester Polytechnic Institute report, 2021. [](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#wiki-cite-ref-3) https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf
4. \[4\] Authors of Metallurgy of Heat Treatment. [Metallurgy of Heat Treatment](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf). National Institute of Standards and Technology materials-data archive. [](/cs/wiki/tepeln%C3%A9-zpracov%C3%A1n%C3%AD/deformace-v-d%C5%AFsledku-tepeln%C3%A9ho-zpracov%C3%A1n%C3%AD-a-zbytkov%C3%A9-nap%C4%9Bt%C3%AD-v-oceli#wiki-cite-ref-4) https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf

 **Na první pohled**

Hlavní zdroje zbytkového napětí

Tepelná, transformační a kalicí napětí

Hlavní režimy deformace

Prohnutí, ohyb, zkroucení, ovalita, kuželovitost, růst a smrštění

Klíčové procesní proměnné

Teplotní gradienty, fázové přeměny, geometrie, tloušťka průřezu a intenzita kalení

 [Zpět na Tepelné zpracování](/cs/wiki/tepelné-zpracování "Tepelné zpracování — Steel Wiki")