--- title: "Wärmebehandlungsbedingter Verzug und Eigenspannungen…" description: "Erfahren Sie, wie eine Wärmebehandlung durch Temperaturgradienten, Phasenumwandlungen und Abschrecken Verformungen und Eigenspannungen in…" canonical: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl language: de 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/tepelné-zpracování/deformace-v-důsledku-tepelného-zpracování-a-zbytkové-napětí-v-oceli.md de: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-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: sha256:3791c6b1db3a6b8b1c37257b559f61117eb1b171a734ef642957a72feeea33dd generated: 2026-09-21 --- > **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/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl > Canonical URL: https://steelequivalents.com/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl > 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. ![Wärmebehandlungsbedingter Verzug und Eigenspannungen in Stahl](/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) Wärmebehandlung # Wärmebehandlungsbedingter Verzug und Eigenspannungen in Stahl Erfahren Sie, wie eine Wärmebehandlung durch Temperaturgradienten, Phasenumwandlungen und Abschrecken Verformungen und Eigenspannungen in Stahl verursacht. ![Porträt von Anders Bergström, Reporter der Stahlbranche](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg) **[Anders Bergström](/de/nachrichten/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Wärmebehandlung 60+ Min. Lesezeit Aktualisiert 14.08.2026 Evidenzbasiert geprüft Auf dieser SeiteAuf dieser Seite - [1. Was Verzug durch Wärmebehandlung und Eigenspannungen bedeuten](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#1-was-verzug-durch-wärmebehandlung-und-eigenspannungen-bedeuten "1. Was Verzug durch Wärmebehandlung und Eigenspannungen bedeuten") - [2. Die drei Hauptquellen von Eigenspannungen in wärmebehandeltem Stahl](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#2-die-drei-hauptquellen-von-eigenspannungen-in-wärmebehandeltem-stahl "2. Die drei Hauptquellen von Eigenspannungen in wärmebehandeltem Stahl") - [3. Erwärmung: Die erste Phase des Verzugsrisikos](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#3-erwärmung-die-erste-phase-des-verzugsrisikos "3. Erwärmung: Die erste Phase des Verzugsrisikos") - [4. Austenitisieren und der metallurgische Zustand vor dem Abschrecken](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#4-austenitisieren-und-der-metallurgische-zustand-vor-dem-abschrecken "4. Austenitisieren und der metallurgische Zustand vor dem Abschrecken") - [5. Abschrecken als gekoppelte Wärmeübertragungs- und Umwandlungsaufgabe](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#5-abschrecken-als-gekoppelte-wärmeübertragungs-und-umwandlungsaufgabe "5. Abschrecken als gekoppelte Wärmeübertragungs- und Umwandlungsaufgabe") - [6. Phasenumwandlungen und durch Umwandlungen induzierte Dehnung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#6-phasenumwandlungen-und-durch-umwandlungen-induzierte-dehnung "6. Phasenumwandlungen und durch Umwandlungen induzierte Dehnung") - [7. Geometrie, Abschnittsdicke und Bauteilkonstruktion](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#7-geometrie-abschnittsdicke-und-bauteilkonstruktion "7. Geometrie, Abschnittsdicke und Bauteilkonstruktion") - [8. Profile der Eigenspannungen nach dem Abschrecken](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#8-profile-der-eigenspannungen-nach-dem-abschrecken "8. Profile der Eigenspannungen nach dem Abschrecken") - [9. Anlassen, Spannungsabbau und nachfolgende Wärmebehandlung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#9-anlassen-spannungsabbau-und-nachfolgende-wärmebehandlung "9. Anlassen, Spannungsabbau und nachfolgende Wärmebehandlung") - [10. Zerspanen, Schleifen und die Freisetzung verborgener Spannungen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#10-zerspanen-schleifen-und-die-freisetzung-verborgener-spannungen "10. Zerspanen, Schleifen und die Freisetzung verborgener Spannungen") - [11. Rissbildung, Nacharbeit und Folgen für den Betrieb](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#11-rissbildung-nacharbeit-und-folgen-für-den-betrieb "11. Rissbildung, Nacharbeit und Folgen für den Betrieb") - [12. Messung von Verzug und Eigenspannungen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#12-messung-von-verzug-und-eigenspannungen "12. Messung von Verzug und Eigenspannungen") - [13. Modellierung und Simulation von Verzügen bei der Wärmebehandlung](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#13-modellierung-und-simulation-von-verzügen-bei-der-wärmebehandlung "13. Modellierung und Simulation von Verzügen bei der Wärmebehandlung") - [14. Prozess- und Konstruktionsstrategien zur Kontrolle von Verzügen](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#14-prozess-und-konstruktionsstrategien-zur-kontrolle-von-verzügen "14. Prozess- und Konstruktionsstrategien zur Kontrolle von Verzügen") - [15. Überlegungen zu Gütebezeichnung, Norm und Prozessspezifikation](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#15-überlegungen-zu-gütebezeichnung-norm-und-prozessspezifikation "15. Überlegungen zu Gütebezeichnung, Norm und Prozessspezifikation") - [16. Ein diagnostischer Rahmen für Verformungsfehler](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#16-ein-diagnostischer-rahmen-für-verformungsfehler "16. Ein diagnostischer Rahmen für Verformungsfehler") - [17. Wichtige Unterscheidungen und häufige Missverständnisse](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#17-wichtige-unterscheidungen-und-häufige-missverständnisse "17. Wichtige Unterscheidungen und häufige Missverständnisse") - [18. Referenztabellen und praktische Checkliste](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#18-referenztabellen-und-praktische-checkliste "18. Referenztabellen und praktische Checkliste") ## 1. Was Verzug durch Wärmebehandlung und Eigenspannungen bedeuten #### Wärmebehandlungsfolge 1. **Erwärmen** Temperaturgradienten erzeugen eine unterschiedliche thermische Ausdehnung und können eine frühe plastische Dehnung verursachen. 2. **Halten** Austenit bildet sich, Kohlenstoff und Legierungselemente verteilen sich neu, und die Korngröße entwickelt sich. 3. **Abschrecken** Unterschiede in der Abkühlung von der Oberfläche zum Kern verbinden sich mit Umwandlungsdehnung und Behinderung. 4. **Anlassen** Martensit verändert sich, ein Teil der Spannungen wird abgebaut, und Restaustenit kann sich weiter umwandeln. Eine Wärmebehandlung verändert mehr als nur die Härte. Während des Erwärmens, Haltens, Abschreckens und Anlassens ist ein Stahlbauteil Temperaturgradienten, Phasenumwandlungen, Volumenänderungen, elastischer Dehnung, plastischem Fließen und Änderungen der Festigkeit ausgesetzt. Seine endgültigen Abmessungen und sein innerer Spannungszustand ergeben sich daher aus einem gekoppelten thermomechanischen und metallurgischen Prozess und nicht allein aus dem Temperaturverlauf. \[1\] \[1\] [**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. Eine dünne Kante kann abkühlen und sich umwandeln, bevor dies im Kern geschieht. Eine aufgekohlte Randschicht kann sich anders zusammenziehen als ein kohlenstoffarmer Innenbereich. Ein Gussteil kann bereits durch die Erstarrung Spannungen enthalten, bevor es in den Ofen gelangt. Die Bewegung des Abschreckmittels, die Badtemperatur, die Orientierung des Bauteils, die Querschnittsdicke, die Härtbarkeit der Legierung und sogar die Bearbeitungsreihenfolge können das Ergebnis verändern. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 von Autoren des *Journal of Materials Engineering and Performance* identifiziert Wechselwirkungen zwischen Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität als bestimmende Faktoren und nicht als voneinander unabhängige Variablen ([Übersichtsarbeit von 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "Übersichtsarbeit von 2022")). ### Maßverzug im Vergleich zu inneren Spannungen **Verzug** ist eine unbeabsichtigte Veränderung der Form oder Abmessungen eines Bauteils. Dazu gehören Durchbiegung, Biegung, Verwindung, Ovalität, Konizität, örtliche Zunahme oder Schrumpfung sowie Veränderungen der Ebenheit oder des Rundlaufs. Eine abgeschreckte Welle, die eine Bananenform annimmt, ist verzogen. Ein Lagerring, der sich von einer Kreisform zu einer ovalen Form verändert, ist ebenfalls verzogen, selbst wenn sich sein mittlerer Durchmesser nur sehr wenig ändert. Verzug wird durch Maßprüfungen, Koordinatenmessungen, Lehren oder Vergleiche mit der Geometrie vor der Behandlung festgestellt. **Eigenspannung** ist eine Spannung, die in einem Körper verbleibt, nachdem die äußere Last, der Temperaturunterschied oder der Bearbeitungsvorgang, durch den sie entstanden ist, beendet wurde. Sie befindet sich im Selbstgleichgewicht: Zug- und Druckbereiche bestehen nebeneinander, sodass das Bauteil ohne äußere Belastung die Bedingungen des Kräfte- und Momentengleichgewichts insgesamt erfüllen kann. Eine Oberfläche kann unter Druck stehen, während der oberflächennahe Bereich unter Zug steht, oder umgekehrt. Das Bauteil kann gerade erscheinen, obwohl diese Spannungen erheblich sind. Die drei wichtigsten Quellen von Eigenspannungen in wärmebehandeltem Stahl. | Spannungsquelle | Hauptursache | Typische Folge | |---|---|---| | Thermisch | Ungleichmäßige Ausdehnung oder Schrumpfung | Spannungen zwischen Oberfläche und Kern, Biegung oder Verzug | | Umwandlung | Unterschiedliche Phasenumwandlungen und Umwandlungsdehnungen | Maßzunahme, Schrumpfung, Unrundheit oder Spannungsumkehr | | Härtung | Lokales Fließen und sich entwickelnde Festigkeit | Bleibende Dehnung, Spannungsumlagerung und Rissbildungsrisiko | Das Kapitel „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels“ von ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und durch das Härten bedingte Eigenspannungen. Thermische Eigenspannungen entstehen, wenn sich verschiedene Bereiche während der Abkühlung unterschiedlich stark zusammenziehen. Umwandlungsbedingte Eigenspannungen entstehen, wenn sich Austenit zu Produkten wie Martensit, Bainit oder Perlit zu unterschiedlichen Zeitpunkten und an unterschiedlichen Stellen umwandelt. Durch das Härten bedingte Eigenspannungen spiegeln die Wechselwirkung dieser Effekte mit der sich entwickelnden Festigkeit und Plastizität des Stahls wider. Diese Kategorien überschneiden sich in einem tatsächlichen Bauteil, doch die Unterscheidung hilft dabei, die Ursache eines Maßproblems zu bestimmen ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")). #### Wichtiger Unterschied Ein Bauteil kann Maßtoleranzen einhalten und dennoch ein ausgeprägtes inneres Spannungsfeld aufweisen; oder es kann sich nach der Bearbeitung verformen, wenn die Materialabtragung einen ausgeglichenen Spannungszustand freisetzt. Ein Bauteil kann Maßtoleranzen einhalten und dennoch ein ausgeprägtes inneres Spannungsfeld aufweisen, das sich später verlagert oder das Bauteil beschädigt. Strong evidence Verzug und Eigenspannungen treten häufig gemeinsam auf, sind jedoch nicht gleichbedeutend. Ein Bauteil kann nach erheblicher plastischer Entspannung einen sichtbaren Verzug bei relativ geringen eingefrorenen Spannungen aufweisen. Es kann aber auch die Maßtoleranzen einhalten und gleichzeitig ein starkes inneres Spannungsfeld enthalten. Letzterer Zustand ist gefährlich, weil eine spätere Zerspanung, das Schleifen, Schweißen, eine Betriebslast oder ein thermischer Zyklus die Spannung freisetzen oder umverteilen kann. *Metallurgy of Heat Treatment*, aufbewahrt im Materialdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology, beschreibt, wie nicht abgebaute Abschreckspannungen während der Bearbeitung einen Verzug verursachen können: Durch die Entfernung von Material verändert sich das Gleichgewicht, das das Bauteil zuvor in seiner gemessenen Form gehalten hat ([NIST-Materialdatenarchiv](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "NIST-Materialdatenarchiv")). Aus diesem Grund beschreibt eine unmittelbar nach dem Abschrecken durchgeführte Endprüfung die Maßstabilität nicht vollständig. Ein Zahnrad kann eine Rundlaufprüfung bestehen und sich anschließend beim Fertigschleifen verformen. Eine Platte kann eben bleiben, bis eine ihrer Seiten gefräst wird. Eine gehärtete Welle kann sich bei einer Abstützung nur geringfügig verändern, sich jedoch nach dem Lösen aus der Spannvorrichtung biegen. Die Maßhaltigkeit in einer bestimmten Prozessstufe ist kein Beweis dafür, dass der Spannungszustand unbedenklich ist. ### Warum ein Bauteil maßhaltig und dennoch stark beansprucht sein kann Ein Bauteil bleibt maßhaltig, wenn die während der Behandlung entstehenden Dehnungen mit seiner Form, seinen Einspannbedingungen und dem Werkstoffverhalten vereinbar sind, selbst wenn die inneren Spannungen hoch sind. Man betrachte einen langen, gleichförmigen Stab, der nahezu symmetrisch erwärmt und abgekühlt wird. An seiner Oberfläche und in seinem Kern können sich entgegengesetzte Spannungen entwickeln, während das resultierende Biegemoment nahe null bleibt. Der Stab bleibt gerade, während sich Zug- und Druckspannungen über seinen Querschnitt ausgleichen. Ein ähnliches Ergebnis kann bei einem Ring oder einer Scheibe auftreten, wenn das Spannungsfeld rotationssymmetrisch ist. Das Bauteil kann sich gleichmäßig genug ausdehnen oder zusammenziehen, um rund zu bleiben, obwohl radiale und umlaufende Spannungen im Werkstoff eingeschlossen sind. Die Maßmessung erfasst die äußere Auswirkung, gibt jedoch keinen unmittelbaren Aufschluss über die Verteilung der inneren Spannungen. Das Umgekehrte ist ebenfalls möglich. Wenn eine Seite schneller abkühlt oder sich ein dünner Flansch vor einer dicken Nabe umwandelt, führen inkompatible Dehnungen zu einer Biegung oder Verwindung. Ein Teil der Spannung wird durch plastische Verformung abgebaut, sodass eine dauerhafte Formänderung zurückbleibt. Das fertige Bauteil kann daher einen deutlichen Verzug aufweisen, auch nachdem ein großer Teil der ursprünglichen Spannung verschwunden ist. ASM weist in *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* darauf hin, dass die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen zu den wichtigsten Auslegungskriterien für Wärmebehandlungen gehört. Diese Formulierung ist bedeutsam: Die alleinige Verringerung der Maßänderung ist unzureichend. Ein Verfahren, das ein Bauteil durch eine starke Einspannung gerade hält, kann hohe Spannungen hinterlassen, die später als Rissbildung, Schleifschäden oder Instabilität im Betrieb sichtbar werden. Auch das U.S. Department of Energy stellt thermische Spannungen und Eigenspannungen in Stahlgussteilen mit Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Zusammenhang ([DOE-Bericht](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "DOE-Bericht")). Auch die Werkstoffgeschichte verändert den Ausgangszustand. Vorangegangenes Schmieden, Gießen, Schweißen, Kaltumformen, Bearbeiten, Aufkohlen, Nitrieren oder Spannungsarmglühen kann das Gefüge, die Härte, die Eigenspannungen und das Umwandlungsverhalten verändern. Die Arbeiten der University of Iowa zu Stahlgussteilen betonen, dass die Gießgeschichte bei der Vorhersage der endgültigen Abmessungen und Eigenspannungen berücksichtigt werden muss. Eine Simulation der Wärmebehandlung, die mit einem angenommenen spannungsfreien, gleichförmigen Gefüge beginnt, kann daher eine präzise Antwort auf das falsche Problem liefern. ### Elastische Dehnung, plastische Dehnung und dauerhafte Formänderung Elastische Dehnung **Elastische Dehnung** Verformung, die sich nach Entfernung der angelegten Spannung zurückbildet, sofern das Material nicht plastisch verformt wurde. Elastische Dehnung ist eine reversible Verformung. Wird die Spannung entfernt, kehrt der Werkstoff in Richtung seiner ursprünglichen Form zurück. Während des Abschreckens erzeugen Temperaturunterschiede und Umwandlungsdehnungen zunächst elastische Spannungen, jedoch nur so lange, wie die örtliche Spannung unterhalb der temperaturabhängigen Streckgrenze bleibt. Plastische Dehnung ist eine dauerhafte Verformung, die entsteht, wenn die örtliche Spannung diese sich verändernde Streckgrenze überschreitet. Heißer Stahl gibt sich während des Erwärmens leicht plastisch nach; kältere, sich umwandelnde Bereiche können ausreichend fest werden, um einer Verformung zu widerstehen, während benachbarte Bereiche sich weiter zusammenziehen oder umwandeln. Da sich Streckgrenze, Wärmeausdehnungskoeffizient und Phasenzusammensetzung während der Behandlung verändern, verschiebt sich die Grenze zwischen elastischem und plastischem Verhalten im gesamten Bauteil. \[2\] \[2\] [**Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II**](). Authors of the IJMPT discussions. International Journal of Materials and Product Technology, 2005. Dauerhafter Verzug entsteht, wenn plastische Dehnungen räumlich inkompatibel sind. Würde sich jeder Bereich gleich stark zusammenziehen, würde das Bauteil lediglich kleiner werden. Zieht sich ein Bereich stärker zusammen als ein anderer und kann dieser Unterschied nicht elastisch ausgeglichen werden, biegt sich das Bauteil, verwindet sich oder verändert sein Profil. Phasenumwandlungen stellen eine weitere Dehnungsquelle dar: Die Bildung von Martensit beispielsweise geht mit einer Volumenzunahme einher, während andere Umwandlungen einen anderen zeitlichen Verlauf und eine andere Größenordnung aufweisen. Die Erörterung im *International Journal of Materials and Product Technology* aus dem Jahr 2005 bezeichnet ungleichmäßige thermische Gradienten als eine wesentliche Ursache des Abschreckverzugs und bringt Eigenspannungen mit plastischer Verformung im Mikrobereich, Bedingungen des Abschreckmittels, Oberflächen- und Einsatzhärten sowie dem abschließenden Schleifen in Verbindung ([Teil I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Teil I"); [Teil II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Teil II")). Der Bericht des Worcester Polytechnic Institute formuliert denselben Sachverhalt als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeänderung umfasst ([WPI-Bericht](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "WPI-Bericht")). Dies ist der geeignete Ausgangspunkt für den weiteren Verlauf dieses Artikels: Eine Wärmebehandlung überträgt nicht lediglich einen Temperaturverlauf auf den Stahl. Sie erzeugt ein sich veränderndes, miteinander wechselwirkendes Feld thermischer und metallurgischer Dehnungen, und die endgültigen Abmessungen sind der sichtbare Rest dieser Vorgeschichte. ## 2. Die drei Hauptquellen von Eigenspannungen in wärmebehandeltem Stahl Eigenspannungen sind Spannungen, die nach dem Entfernen äußerer Belastungen und Temperaturgradienten bestehen bleiben. Verzug ist eine Maßänderung: Durchbiegung, Unrundheit, Wachstum, Schrumpfung, Verdrehung oder eine Veränderung der Ebenheit. Beide Erscheinungen sind miteinander gekoppelt, aber nicht identisch. Ein Bauteil kann hohe Eigenspannungen aufweisen und zugleich maßlich genau erscheinen, oder es kann sich nach der Bearbeitung verziehen, weil durch den Materialabtrag ein zuvor ausgeglichenes Spannungsfeld freigesetzt wird. ASM International unterteilt die Eigenspannungen infolge der Wärmebehandlung in drei Hauptquellen: thermische Spannungen, Umwandlungsspannungen und härtungsbedingte Eigenspannungen. Diese Klassifizierung ist nützlich, weil sich die Mechanismen unterscheiden, obwohl sie in einem realen Stahlbauteil gleichzeitig wirken. Eine Bezeichnung wie „Abschreckspannung“ verschleiert daher die tatsächliche Abfolge der Ereignisse. Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Wanddicke, Geometrie, Härtbarkeit der Legierung, Auswahl des Abschreckmittels und die Vorgeschichte des Werkstoffs bestimmen gemeinsam, welcher Mechanismus an einer bestimmten Stelle dominiert. ![Schematische Darstellung einer beim Abschrecken kontrahierenden, kühleren Stahloberfläche um einen heißeren Kern](/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 "Bild vergrößern — Schematische Darstellung einer beim Abschrecken kontrahierenden, kühleren Stahloberfläche um einen heißeren Kern")Surface-to-core temperature differences create changing thermal stress during cooling. ### Thermische Eigenspannungen Thermische Eigenspannungen entstehen durch ungleichmäßiges Erwärmen oder Abkühlen. Stahl dehnt sich beim Erwärmen aus und zieht sich beim Abkühlen zusammen, aber ein Bauteil ändert nicht überall mit derselben Geschwindigkeit seine Temperatur. Die Oberfläche reagiert zuerst; der Kern folgt verzögert. Eine dünne Kante, eine massive Nabe, eine scharfe Ecke und eine Bohrung entwickeln jeweils unterschiedliche Temperaturverläufe. Während des Abkühlens neigt ein heißer Innenbereich dazu, ausgedehnt zu bleiben, während sich die kältere Oberfläche zusammenzieht. Die Oberfläche wird durch den heißeren Kern behindert und kann daher unter Druckspannung geraten, während im Kern Zugspannungen entstehen. Wenn die Oberfläche abkühlt und sich zusammenzieht, nachdem der Kern bereits abgekühlt ist, kann sich das Spannungsmuster umkehren. Das endgültige Vorzeichen wird nicht durch das Wort „Abschrecken“ festgelegt. Es hängt von der zeitlichen Abfolge, der lokalen Geometrie, der Wärmeleitfähigkeit, der Abschreckintensität und davon ab, ob während des transienten Vorgangs plastisches Fließen auftrat. Das Erwärmen kann die entgegengesetzte Abfolge erzeugen. Eine schnell erwärmte Oberfläche versucht, sich gegen einen kälteren Innenbereich auszudehnen, und kann dabei unter Druck plastisch fließen. Beim späteren Abkühlen kann diese plastisch veränderte Oberfläche Zug-Eigenspannungen hinterlassen. Die Gleichmäßigkeit des Ofens, die Beladungsanordnung, die Ausrichtung des Bauteils und der Kontakt mit Vorrichtungen beeinflussen sämtlich das Temperaturfeld, bevor das Abschrecken beginnt. ASM bezeichnet in *Grundlegende Prinzipien und Konstruktionsrichtlinien für die Wärmebehandlung von Stahl* (*Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel*) die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als wesentliche Kriterien für die Auslegung der Wärmebehandlung. Die praktische Bedeutung ist eindeutig: Thermische Gradienten sind nicht lediglich ein Problem der Temperaturregelung. Sie erzeugen inkompatible Dehnungen, die dauerhaft werden können, wenn die lokale Spannung die temperaturabhängige Streckgrenze überschreitet. Ungleichmäßige thermische Gradienten während des Abschreckens werden im *International Journal of Materials and Product Technology* als eine Hauptquelle des Abschreckverzugs bezeichnet. Eine lange, schlanke Welle kann sich biegen, weil eine Seite schneller abkühlt als die andere. Ein Ring kann unrund werden, weil seine äußere und innere Oberfläche Wärme mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abgeben. Eine Platte kann sich schüsselförmig verformen, wenn ihre Flächen ungleichmäßig abkühlen. Die Eigenspannung kann über wenige Millimeter hinweg von Zug- zu Druckspannung wechseln, sodass ein einzelner Mittelwert wenig über das Rissrisiko oder spätere Maßänderungen bei der Bearbeitung aussagt. ### Umwandlungsbedingte Eigenspannungen Umwandlungsbedingte Eigenspannungen entstehen, wenn Stahl seine Kristallstruktur ändert und sich dadurch sein Volumen und sein mechanisches Verhalten verändern. Beim Abkühlen aus dem Austenit können sich Bereiche bei unterschiedlichen Temperaturen in Ferrit, Perlit, Bainit oder Martensit umwandeln. Die martensitische Umwandlung erzeugt eine erhebliche Umwandlungsdehnung, während Menge und Richtung der Maßänderung auch vom Kohlenstoffgehalt, den Legierungselementen, dem Restaustenit und dem Anteil jeder einzelnen Gefügebestandteils abhängen. Die Oberfläche eines abgeschreckten Bauteils kühlt häufig ab und wandelt sich um, bevor dies im Kern geschieht. Wenn sich an der Oberfläche Martensit bildet, während der Innenbereich noch austenitisch ist, dehnt sich die Oberfläche aus, während der Kern noch heiß und vergleichsweise nachgiebig ist. Später wandelt sich der Kern um und dehnt sich aus, doch die bereits gehärtete Oberfläche behindert diese Bewegung. Der Spannungszustand kann sich daher während des Abschreckens verändern. Eine Oberfläche, die zunächst unter Zugspannung stand, kann abhängig vom Zeitpunkt der Umwandlung und der Behinderung abschließend unter Druckspannung stehen – oder umgekehrt. Aus diesem Grund kann Umwandlungsspannung nicht als einheitliche Korrektur für eine „Martensitausdehnung“ behandelt werden. Die Umwandlungsdehnung ist lokal, und der umgebende Werkstoff kann eine andere Temperatur, einen anderen Phasenanteil und eine andere Streckgrenze aufweisen. Ein gehärteter Randbereich über einem weicheren Kern verhält sich anders als ein durchgehärteter Querschnitt. Auch aufgekohlte, nitrierte und induktiv gehärtete Bauteile entwickeln steile Gradienten des Gefüges und der Dehnung. Restaustenit kann sich später beim Anlassen, im Betrieb, beim Schleifen oder während der Lagerung umwandeln und dadurch zusätzliche Maßänderungen und Spannungsabbau verursachen. Die Umwandlung beeinflusst Spannungen außerdem durch Umwandlungsplastizität. Unter einer äußeren oder innerlich erzeugten Spannung kann sich ein umwandelnder Bereich bei Spannungen plastisch verformen, die unterhalb der gewöhnlichen Streckgrenze liegen. Die Umwandlung nimmt dadurch einen Teil der aufgeprägten Dehnung auf, jedoch nicht unbedingt in einer Weise, die die ursprüngliche Form bewahrt. Lokale Umwandlungsplastizität kann zu Biegung, Unrundheit und Veränderungen der Geradheit beitragen. Die im *Journal of Materials Engineering and Performance* veröffentlichte Übersichtsarbeit „Eigenspannungen und Verzug beim Abschrecken und Härten von Stählen: Eine Übersicht“ (*Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review*) aus dem Jahr 2022 beschreibt Eigenspannungen und Verzug als Ergebnisse des Zusammenwirkens von Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität. Dieses Zusammenwirken ist von zentraler Bedeutung. Ein intensiveres Abschreckmittel kann gleichzeitig den thermischen Gradienten vergrößern, die Umwandlungsabfolge verändern und eine härtere Oberfläche erzeugen; die einzelnen Wirkungen nachträglich voneinander zu trennen, ist schwierig. ### Spannungen durch Härten und plastische Verformung Die dritte Quelle sind Spannungen, die entstehen, wenn örtliches plastisches Fließen, Kaltverfestigung oder eine Behinderung eine kompatible Verformung verhindern. Stahl ist während einer Wärmebehandlung nicht überall gleich fest. Die Streckgrenze ändert sich mit der Temperatur und dem Gefüge stark. Austenit bei Abschrecktemperatur kann sich leicht verformen, während neu gebildeter Martensit wesentlich fester und weniger duktil ist. Ein Querschnitt kann daher in einem Bereich plastisch fließen, während er in einem anderen elastisch bleibt. Angenommen, eine Oberflächenschicht zieht sich während des Abkühlens zusammen, wird jedoch durch einen heißeren Kern behindert. Wenn die Oberfläche ihre momentane Streckgrenze überschreitet, erfährt sie eine bleibende plastische Dehnung. Wenn das Temperaturfeld später gleichmäßiger wird, kann die elastische Rückfederung diese plastische Dehnung nicht beseitigen. Die verbleibende elastische Fehlanpassung ist eine Eigenspannung. Wenn eine Seite eines Bauteils stärker plastisch fließt als die andere, zeigt sich die Fehlanpassung sowohl als Verzug als auch als Spannung. Das Härten verstärkt diesen Effekt, indem lokale Unterschiede festgehalten werden. Ein martensitischer Randbereich kann der Kontraktion eines weniger gehärteten Kerns entgegenwirken; ein weicher Kern kann einen Teil der Dehnung aufnehmen, doch fortschreitendes Abkühlen und Umwandeln kann die Spannungsverteilung umkehren. Gleichmäßigkeit des Abschreckens, Umwälzung, Temperatur des Abschreckmittels und Positionierung des Bauteils bestimmen, ob nominell identische Bereiche in gleicher Weise gehärtet werden. Das abschließende Schleifen kann durch lokale Erwärmung und mechanische Verformung eine weitere Schicht oberflächennaher Spannungen hinzufügen. Das *International Journal of Materials and Product Technology* führt Eigenspannungen in abgeschrecktem Stahl auf plastische Verformung im Mikromaßstab zurück und erörtert die Auswirkungen der Bedingungen des Abschreckmittels, der Oberflächen- und Randschichthärtung sowie des abschließenden Schleifens. Dieser Mechanismus erklärt, warum nicht davon ausgegangen werden darf, dass Spannungsmessungen an der Oberfläche den Kern repräsentieren. Er erklärt auch, warum der Spannungsabbau durch Anlassen, thermische Behandlung oder kontrollierte mechanische Verfahren unter Berücksichtigung des Werkstoffzustands und der geforderten Maße ausgewählt werden muss. Diese drei Quellen überschneiden sich fortlaufend. Thermische Spannungen verändern den Umwandlungspfad; Umwandlungsdehnung verändert die thermische und mechanische Behinderung; örtliches plastisches Fließen verteilt beide neu. Gießereivorgeschichte, Umformgrad beim Schmieden, Seigerungen, Bearbeitung sowie vorhergehendes Normalglühen oder Weichglühen verändern den Ausgangszustand. Berichte der University of Iowa und des U.S. Department of Energy bringen diese Eigenspannungen mit Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Verbindung. Das Werkstoffdatenarchiv des NIST weist außerdem darauf hin, dass nicht abgebaute Abschreckspannungen beim Bearbeiten zu Verwerfungen führen können, wenn der Materialabtrag das ursprüngliche Gleichgewicht stört. Eine gültige Bewertung muss daher klären, wo die Spannung als Zug- oder Druckspannung vorliegt, wie sich ihre Größe über den Querschnitt verändert und wie sie von einem Merkmal zum anderen variiert. Die Antwort kann an der Oberfläche, an der Grenze zwischen Randbereich und Kern, in der halben Wanddicke, an der Bohrung, an der Hohlkehle und an der Stirnfläche unterschiedlich ausfallen. „Abschreckspannung“ ist eine Prozessbezeichnung, kein Mechanismus. ## 3. Erwärmung: Die erste Phase des Verzugsrisikos Der Verzug beginnt nicht erst, wenn ein Stahlbauteil in das Abschreckmedium gelangt. Er setzt ein, sobald verschiedene Bereiche des Bauteils unterschiedliche Temperaturen erreichen und versuchen, sich unterschiedlich stark auszudehnen. Die daraus entstehende Spannung kann elastisch bleiben oder die örtliche Streckgrenze überschreiten und eine bleibende Dehnung hervorrufen. In beiden Fällen legt der Erwärmungszyklus den mechanischen Zustand fest, der später mit der Umwandlung und dem Abschrecken zusammenwirkt. Eigenspannung und Verzug stehen miteinander in Zusammenhang, sind jedoch nicht identisch. Eigenspannung ist eine im Bauteil verbleibende, sich selbst ausgleichende Spannung, nachdem äußere Belastungen und Temperaturunterschiede verschwunden sind. Verzug ist eine Änderung der Abmessungen oder der Form. Ein Bauteil kann erhebliche Eigenspannungen aufweisen, ohne sich sichtbar zu verziehen, während bereits eine geringe örtliche plastische Dehnung eine messbare Biegung oder einen Verlust der Rundheit verursachen kann. ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Eigenspannungen als eigenständige Einflussgrößen in vergüteten Stählen und betrachtet die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als zentrale Kriterien für die Auslegung von Wärmebehandlungen. ### Temperaturgradienten während der Erwärmung im Ofen Ein Ofen kann eine stabile Solltemperatur aufweisen, während das Werkstück noch weit von einer gleichmäßigen Temperaturverteilung entfernt ist. Die Oberfläche nimmt zuerst Wärme auf; der Kern reagiert später, da die Wärme durch den Querschnitt geleitet werden muss. Eine dünne Kante, ein Zahn, eine Rippe oder ein Ansatz kann sich der Ofentemperatur nähern, während eine dicke Nabe oder die Mitte einer Platte noch vergleichsweise kühl ist. Der heiße Bereich versucht, sich auszudehnen, wird jedoch durch den kälteren Innenbereich behindert. Dadurch entsteht während der Aufheizphase ein sich veränderndes Muster aus Druck- und Zugspannungen. Dieses Muster ist nicht konstant. Zu Beginn der Erwärmung wird die heißere Oberfläche durch den kühleren Kern typischerweise unter Druckspannung gesetzt, während im Kern Zugspannung entsteht. Wenn sich die Temperaturfront nach innen bewegt, ändert sich die Spannungsverteilung, und bei ausreichend großer Temperaturdifferenz kann örtliches Fließen auftreten. Wenn sich das Bauteil später temperaturmäßig ausgleicht, verschwinden diese früheren plastischen Dehnungen nicht. Sie werden Teil des Ausgangszustands für das Abschrecken. Die Erwärmungsgeschwindigkeit ist daher auch dann von Bedeutung, wenn die endgültige Austenitisierungstemperatur identisch ist. Ein schneller Temperaturanstieg kann die Temperaturunterschiede zwischen Oberfläche und Kern vergrößern, während eine stufenweise Erwärmung oder eine Vorwärmehaltezeit sie verringern kann. Das macht langsames Erwärmen jedoch nicht zu einer universellen Lösung: Eine lange Einwirkungsdauer kann Korngröße, Entkohlung, Karbidauflösung oder Oxidation verändern, und Vorrichtungen können das Bauteil während des gesamten Zyklus weiter behindern. Der geeignete Zeit-Temperatur-Verlauf hängt von der Stahlsorte, der Querschnittsdicke, der Ofenatmosphäre und der zulässigen Maßänderung ab. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 von Autoren des *Journal of Materials Engineering and Performance* beschreibt den Verzug als Wechselwirkung zwischen Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität. Die Erwärmung ist der erste Teil dieser Kette. Ein ungleichmäßiges Temperaturfeld beim Verlassen des Ofens gibt dem Abschrecken einen ungleichmäßigen thermischen und mechanischen Ausgangszustand vor. ### Behinderungen der Wärmeausdehnung und Bauteilgeometrie Ein freier, gleichmäßiger Stab kann sich ausdehnen, ohne nennenswerte innere Spannungen zu erzeugen. Reale Bauteile sind jedoch selten frei oder gleichmäßig. Eine Vorrichtung kann einen Flansch einspannen, eine Welle an zwei Punkten abstützen oder verhindern, dass sich ein Ring radial bewegt. Kontaktreibung kann einen Bereich festhalten, während sich ein anderer ausdehnt. Ein angrenzendes Geometriemerkmal kann als innere Behinderung wirken, selbst wenn keine äußere Vorrichtung vorhanden ist. Die Geometrie verstärkt diese Effekte. Ein dicker Ansatz, der mit einem dünnen Steg verbunden ist, erwärmt sich langsam und dehnt sich nach einem anderen Zeitplan aus. Eine Rippe kann eine Platte in einer Richtung behindern und dadurch anstelle eines einfachen linearen Wachstums eine Biegung hervorrufen. Bohrungen schaffen freie Oberflächen und verringern die örtliche Steifigkeit; eine Reihe von Bohrungen kann dazu führen, dass sich eine Seite des Bauteils anders erwärmt und ausdehnt als die andere. Keilnuten, Schlitze, Zähne, scharfe Ecken und abrupte Querschnittsänderungen erzeugen örtliche Temperaturgradienten und Spannungskonzentrationen. Ein symmetrisch wirkendes Bauteil kann sich dennoch verziehen, wenn seine Masse asymmetrisch verteilt ist oder seine Auflagepunkte nicht symmetrisch angeordnet sind. Lange, schlanke Bauteile reagieren besonders empfindlich auf geringe Unterschiede der Ausdehnung entlang gegenüberliegender Flächen. Wenn eine Fläche geringfügig heißer wird, kann dies bereits vor jeder Phasenumwandlung eine Krümmung hervorrufen. Ringe und Scheiben können ihren Durchmesser verändern oder ihre Ebenheit verlieren, wenn ihre Ränder und Zentren unterschiedliche Temperaturverläufe durchlaufen. Große Gussteile und schwere Schmiedestücke können ebenfalls Bereiche enthalten, die so langsam reagieren, dass sie kühl bleiben, während dünne Vorsprünge bereits nahe dem Austenitisierungsbereich liegen. Vorrichtungen verringern die Bewegung, übertragen jedoch zugleich Kräfte in das Bauteil. Eine starre Einspannung kann eine sichtbare Verzugsausprägung unterdrücken und gleichzeitig die gespeicherte Spannung erhöhen, die beim Lösen der Einspannung oder beim Abschrecken freigesetzt wird. Eine Vorrichtung sollte daher als Teil des thermischen und mechanischen Systems betrachtet werden und nicht lediglich als Mittel zur Einhaltung der Abmessungen. Die in der Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 hervorgehobene Bedeutung von Geometrie und Querschnittsdicke gilt für die Gestaltung der Vorrichtung ebenso wie für den Stahl selbst. ### Vorhandene Spannungen, Gießgeschichte und vorherige Bearbeitung Das in den Ofen eingebrachte Bauteil hat bereits eine Vorgeschichte. Schweißen hinterlässt Spannungen infolge thermischer Kontraktion und kann eine Wärmeeinflusszone mit einer anderen Mikrostruktur und Festigkeit als der Grundwerkstoff erzeugen. Schmieden führt zu einem gerichteten Gefügefluss, ungleichmäßiger Abkühlung und möglichen Eigenspannungen zwischen stark und schwach umgeformten Bereichen. Gießen kann eine ungleichmäßige Kornstruktur, Seigerungen, Porosität, Warmrissschäden und Eigenspannungen aus Erstarrung und Abkühlung hinterlassen. Kaltumformung erhöht die Versetzungsdichte und speichert Energie, während durch Zerspanen eine gespannte Randschicht abgetragen und das Kräftegleichgewicht über einen Querschnitt verändert werden kann. Die technischen Arbeiten der University of Iowa zu Stahlgussteilen betonen, dass die Gießgeschichte bei der Vorhersage der Endabmessungen und Eigenspannungen berücksichtigt werden muss. Dieser Gesichtspunkt geht über Gussteile hinaus: Ein Wärmebehandlungsmodell, das mit einem spannungsfreien, homogenen Rohteil beginnt, kann den Grund übersehen, aus dem sich ein reales Bauteil verbiegt. Auch das U.S. Department of Energy bringt thermische Spannungen und Eigenspannungen in Stahlgussteilen mit Verzug, Rissbildung, Schweißreparaturen, Nacharbeit, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Verbindung. Besondere Aufmerksamkeit verdient die vorherige Zerspanung. *Metallurgy of Heat Treatment*, aufbewahrt im Materialdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology, berichtet, dass nicht abgebauten Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verzug verursachen können, weil der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen stört. Dasselbe Prinzip kann auch während der Erwärmung wirksam werden: Eine unter Druck- oder Zugspannung stehende Oberfläche kann anders reagieren als der Innenbereich, und der Ofenzyklus kann dieses Ungleichgewicht sichtbar machen. Spannungsarmglühen, Normalisieren, kontrolliertes Vorwärmen oder eine zwischenzeitliche Bearbeitungsfolge können das Risiko verringern, doch keine dieser Maßnahmen löscht die Werkstoffgeschichte automatisch aus. Die Erwärmung kann durch Erholung oder plastisches Fließen einen Teil der zuvor vorhandenen Spannungen abbauen und gleichzeitig neue thermische Spannungen erzeugen. Wenn das Abschrecken beginnt, kann das Bauteil bereits ein ungleichmäßiges Temperaturfeld, eine veränderte Mikrostruktur und einen ungleichmäßigen Spannungszustand aufweisen. Diese Bedingungen tragen dazu bei, ob die spätere Umwandlung eine unkritische Maßänderung, einen sichtbaren Verzug oder eine Rissbildung hervorruft. ## 4. Austenitisieren und der metallurgische Zustand vor dem Abschrecken Das Abschrecken beginnt nicht mit dem Eintauchen in Öl, Polymer, Wasser oder Gas. Es beginnt mit dem metallurgischen Zustand, der während des Erwärmens entsteht. Austenitkorngröße, Kohlenstoffverteilung, gelöste Legierungselemente, vorherige Mikrostruktur, Oberflächenchemie, Temperaturgleichmäßigkeit und Querschnittstemperatur bestimmen maßgeblich, wann die Umwandlung einsetzt und wie viel Verformung das Bauteil aufnehmen kann. Der Zustand unmittelbar vor dem Abschrecken bestimmt daher sowohl die Umwandlungsfolge als auch die Spannungen, die während des Abkühlens des Bauteils entstehen. ASM International identifiziert drei Ursachen für Eigenspannungen bei der Wärmebehandlung von Stahl: thermische Spannungen, Umwandlungsspannungen und Härtungsspannungen ([ASM Handbook, „Eigenspannungen und Verzug in abgeschreckten und angelassenen Stählen“](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, „Eigenspannungen und Verzug in abgeschreckten und angelassenen Stählen“")). In der Praxis überschneiden sich diese Kategorien. Ein Temperaturgradient erzeugt eine unterschiedliche Schrumpfung; ein Umwandlungsgradient fügt eine lokale Volumenänderung hinzu; und die daraus entstehende Fehlanpassung kann plastische Verformung hervorrufen. Ein Bauteil kann das Abschrecken mit akzeptablen Abmessungen verlassen und dennoch genügend nicht abgebauten Spannungen enthalten, um sich während der Bearbeitung zu verziehen, weil die Materialabnahme das Gleichgewicht der inneren Kräfte verändert, wie in *Metallurgie der Wärmebehandlung* im Materialdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology beschrieben. ### Bildung und Homogenisierung von Austenit Wie der Austenitisierungszustand den Zustand vor dem Abschrecken beeinflusst. | Austenitisierungszustand | Wahrscheinliches metallurgisches Ergebnis | Bedeutung für die Verformung | |---|---|---| | Unzureichendes Erwärmen oder Halten | Ungelöste Karbide und lokale Kohlenstoffschwankungen | Ungleichmäßige Umwandlung und Dehnung | | Gesteuertes Erwärmen und Halten | Gleichmäßigerer Austenitzustand | Gleichmäßigeres Abkühlverhalten | | Überhöhte Temperatur oder verlängerte Einwirkungsdauer | Vergröberung der Austenitkörner | Veränderter Umwandlungszeitpunkt und verändertes mechanisches Verhalten | Bei untereutektoidem Stahl ermöglicht das Erwärmen über die maßgebliche obere kritische Temperatur die Umwandlung von Ferrit und Perlit in Richtung Austenit. Bei eutektoidem und übereutektoidem Stahl unterscheiden sich die Ausgangsbestandteile und die erforderliche Temperatur, doch das praktische Problem bleibt dasselbe: Austenit muss mit einer kontrollierten Kohlenstoffverteilung und ohne übermäßiges Kornwachstum entstehen. Austenitisieren ist nicht lediglich eine Frage des Erreichens eines im Ofen eingestellten Sollwerts. Die Oberfläche kann die Zieltemperatur erreichen, während der Kern noch kälter ist, insbesondere bei einem großen Querschnitt oder einem Bauteil mit abrupten Änderungen der Wanddicke. Kohlenstoff muss sich aus Zementit und anderen Karbiden lösen, um die für die nachfolgende Umwandlung verfügbare austenitische Zusammensetzung herzustellen. Ist das Erwärmen unzureichend oder die Haltezeit zu kurz, bleiben ungelöste Karbide und örtliche Kohlenstoffschwankungen zurück. Ist das Erwärmen zu stark oder zu lang andauernd, können die Austenitkörner wachsen. Beide Zustände verändern den zeitlichen Ablauf der Umwandlung und das mechanische Verhalten während des Abschreckens. Grobkörniger Austenit ermöglicht die Bildung von Umwandlungsprodukten häufig unter anderen Bedingungen als feinkörniger Austenit, während örtliche Unterschiede in der Zusammensetzung dazu führen, dass benachbarte Bereiche die Umwandlung nicht gleichzeitig beginnen oder beenden. Die Homogenisierung betrifft nicht nur die Chemie, sondern auch die Temperatur. Ein Flansch, ein Zahnfuß, eine Bohrung und ein dünner Rand können in derselben Ofencharge unterschiedliche thermische Vorgeschichten aufweisen. Beim Abschrecken verliert der dünne Bereich gewöhnlich schneller Wärme, während das Innere eines schweren Querschnitts heiß bleibt und sich später weiter zusammenzieht. Die Übersichtsarbeit der Autoren von *Eigenspannung und Verzug während des Abschreckhärtens von Stählen* aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* betont, dass Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Abschreckmittel und Abschreckintensität miteinander wechselwirken. Wird das Abschrecken als ein einziger Abkühlgeschwindigkeitswert behandelt, werden die Gradienten verborgen, die den Verzug verursachen. Austenit trägt außerdem die Werkstoffgeschichte des Bauteils in sich. Seigerungen aus dem Guss, der Faserverlauf beim Schmieden, thermische Zyklen beim Schweißen, gebänderte Gefüge sowie frühere Normalglüh- oder Härtungsbehandlungen können Bereiche mit unterschiedlicher Korngröße oder Karbidverteilung hervorbringen. Die Berichte der University of Iowa und des U.S. Department of Energy über Stahlgussteile zeigen, warum die Fertigungsgeschichte in die Vorhersage der Maßhaltigkeit einbezogen werden muss: Thermische Spannungen und Eigenspannungen aus dem Erwärmen und Abkühlen können zu Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen und einer verminderten Betriebsleistung beitragen. ### Legierungschemie und Härtbarkeit Härtbarkeit **Härtbarkeit** Die Fähigkeit eines Stahlquerschnitts, unter einer bestimmten Abkühlbedingung bis zu einer festgelegten Tiefe Martensit zu bilden. Kohlenstoff beeinflusst sowohl die erreichbare Härte des Martensits als auch die Temperatur und Kinetik der Umwandlung. Legierungselemente wie Mangan, Chrom, Molybdän und Nickel verschieben im Allgemeinen das Umwandlungsverhalten und können die Härtbarkeit erhöhen. Das bedeutet, dass bei einer festgelegten Abkühlbedingung in einem größeren Querschnitt Martensit entstehen kann als bei einem Stahl mit geringerer Härtbarkeit. Härtbarkeit ist nicht dasselbe wie Härte. Eine Stahlsorte kann eine hohe Härtbarkeit aufweisen und dennoch einen bestimmten Kohlenstoffgehalt und eine bestimmte Abschreckbedingung benötigen, um eine vorgegebene Härte zu erreichen. Diese Unterscheidung ist für Spannungen von Bedeutung. Bei einer Durchhärtungsbehandlung kühlt die Oberfläche zuerst ab und kann zu Martensit umwandeln, während der Kern noch austenitisch bleibt. Die Oberfläche neigt dann während der martensitischen Umwandlung zur Ausdehnung, während sich der Kern thermisch noch zusammenziehen kann. Die spätere Umwandlung des Kerns kann den zuvor entstandenen Spannungszustand umkehren oder verstärken. Die endgültige Eigenspannung hängt von der Abfolge, der Behinderung, dem plastischen Fließen und den Umwandlungsdehnungen ab, nicht allein von der Härte. Die Legierungschemie verändert diese Abfolge, indem sie die Umwandlungsbeginn-Temperaturen, die Umwandlungsgeschwindigkeiten, die Karbidstabilität und die zur Unterdrückung diffusiver Produkte erforderliche Abkühlgeschwindigkeit beeinflusst. Dadurch kann sich verändern, wo innerhalb eines Querschnitts Perlit, Bainit, Martensit oder Restaustenit entsteht. Die Geometrie bleibt ebenfalls von Bedeutung. Derselbe Werkstoff und dieselbe nominelle Wärmebehandlung können in einem dünnen Ring, einer Welle mit Absatz und einem schweren Gussteil unterschiedliche Spannungsverteilungen erzeugen, weil sich deren Wärmeabfuhr und mechanische Behinderung unterscheiden. Ein schärferes Abschrecken ist nicht grundsätzlich der beste Weg, um die Verformung zu verringern. Limited evidence ASMs *Grundlegende Prinzipien und Konstruktionsrichtlinien für die Wärmebehandlung von Stahl* nennt die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als vorrangige Kriterien für die Auslegung einer Wärmebehandlung. Diese Auslegungsentscheidung muss unter gemeinsamer Berücksichtigung der Härtbarkeit des Stahls und der Querschnittsdicke des Bauteils getroffen werden. Eine höhere Abschreckintensität kann eine tiefere Härtung fördern, aber auch die thermischen Gradienten und die plastische Dehnung vergrößern. Ein langsameres oder gleichmäßigeres Abschrecken kann den Verzug verringern, während eine Kernumwandlung zurückbleibt, die vom vorgegebenen mikrostrukturellen Ziel abweicht. Es gibt keine universelle Lösung in Form eines „stärkeren Abschreckens“. ### Aufkohlen, Nitrieren und Randschichttiefengradienten Oberflächen- und Randschichtbehandlungen schaffen ein anderes Problem als die Durchhärtung, weil der Werkstoff absichtlich inhomogen ist. Beim Aufkohlen dringt bei erhöhter Temperatur Kohlenstoff in die Oberfläche ein und erzeugt einen Kohlenstoffkonzentrationsgradienten von der Randschicht zum Kern. Nach dem Austenitisieren und Abschrecken können Randschicht und Kern unterschiedliche Umwandlungstemperaturen, Härtbarkeitsverhalten, Kohlenstoffgehalte des Martensits, Restaustenitanteile und Umwandlungsdehnungen aufweisen. Die Randschichttiefe ist daher nicht nur ein Härteprofil, sondern auch ein Dehnungs- und Spannungsprofil. Der Kern kann später als die kohlenstoffreiche Randschicht umwandeln, und beide Bereiche behindern sich gegenseitig, während sie schrumpfen und umwandeln. Die Bauteilgeometrie bestimmt, ob diese Wechselwirkung zu einer erwünschten Druckspannung an der Oberfläche, einer unerwünschten Zugspannung in einem anderen Bereich, zu Biegung, Ovalität oder örtlicher Rissbildung führt. Das abschließende Schleifen kann diese Spannungen freilegen oder neu verteilen. Das *International Journal of Materials and Product Technology* nennt mikroskalige plastische Verformung, Abschreckbedingungen, Oberflächen- und Randschichthärtung sowie das abschließende Schleifen als Faktoren für Eigenspannungen in abgeschrecktem Stahl ([Teil II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Teil II")). Das Nitrieren unterscheidet sich, weil Stickstoff in einem vergleichsweise niedrig temperierten ferritischen Verfahren eingebracht wird. Dabei entstehen stickstoffhaltige Phasen und Legierungsnitride, anstatt dass derselbe Mechanismus einer aufgekohlten und abgeschreckten Randschicht genutzt wird. Seine Maßänderung kann geringer sein als bei einem stark beanspruchenden Aufkohlungs- und Abschreckzyklus, ist jedoch nicht automatisch maßneutral. Dicke der Verbindungsschicht, Diffusionstiefe, vorheriger Zustand des Kerns, Eigenspannungen und örtliche Geometrie müssen gesondert bewertet werden. \[3\] \[3\] [**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. Auch die Vakuumwärmebehandlung erfordert eine gesonderte Verzuganalyse. Das Vakuum verändert Oberflächenreaktionen, das Risiko einer Entkohlung, die Wärmeübertragung im Ofen sowie die Wahl von Druck und Strömung beim Gasabschrecken; es beseitigt jedoch weder thermische Gradienten noch Umwandlungsdehnungen. Der Bericht des Worcester Polytechnic Institute beschreibt den Abschreckverzug als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und die Entwicklung der Mikrostruktur umfasst. Diese Beschreibung gilt gleichermaßen für durchgehärtete, aufgekohlte, nitrierte und vakuumbehandelte Bauteile. Der metallurgische Zustand vor dem Abkühlen legt die Anfangsbedingungen fest; das Abschrecken macht lediglich sichtbar, wie diese Bedingungen mit Form und Behinderung wechselwirken. ## 5. Abschrecken als gekoppelte Wärmeübertragungs- und Umwandlungsaufgabe Die Wärmebehandlung ist eine Folge, in der der anfängliche metallurgische Zustand, das Abschrecken und das Anlassen miteinander wechselwirken. Das Abschrecken wird häufig als schneller Abkühlungsschritt beschrieben, bei dem Austenit in Martensit umgewandelt wird. Diese Beschreibung ist unvollständig. Ein Stahlbauteil kühlt nicht überall mit derselben Geschwindigkeit ab, und es wandelt sich nicht überall bei derselben Temperatur oder zum selben Zeitpunkt um. Seine endgültigen Abmessungen und sein Eigenspannungszustand entstehen durch das Zusammenwirken von Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, elastischer Behinderung, plastischem Fließen, Geometrie, Querschnittsdicke, Werkstoffvorgeschichte und lokalen Bedingungen des Abschreckmittels. Die Übersichtsarbeit „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels“ aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* behandelt diese Variablen als miteinander wechselwirkendes System und nicht als voneinander unabhängige Prozessparameter. Zu derselben Schlussfolgerung kommt der Bericht *Distortion and Residual Stress* des Worcester Polytechnic Institute: Abschreckverzug koppelt Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeentwicklung. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil die Änderung einer Variablen einen Teil des Prozesses verbessern und gleichzeitig einen anderen verschlechtern kann. ### Unterschiede der Abkühlung von der Oberfläche zum Kern Wenn ein heißes Stahlbauteil in das Abschreckmittel eingebracht wird, gibt die Oberfläche zuerst Wärme ab. Anschließend fließt Wärme vom heißeren Kern zur kühleren Oberfläche, sodass sich das Temperaturfeld kontinuierlich über den Querschnitt verändert. Eine dünne Kante kann sich der Temperatur des Abschreckmittels annähern, während das Zentrum eines dicken Zahnrads, einer Welle, eines Gesenks oder eines Gussteils noch austenitisch bleibt. Je größer die Querschnittsdicke ist, desto länger bleibt diese Trennung bestehen. Der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern erzeugt eine thermische Dehnung. Die kühlere Oberfläche versucht, sich zusammenzuziehen, während der heißere Innenbereich diese Kontraktion behindert. Bei hohen Temperaturen besitzt Stahl eine vergleichsweise niedrige Streckgrenze, sodass ein Teil dieser Inkompatibilität durch plastische Verformung ausgeglichen werden kann. Mit sinkender Temperatur nimmt die Fähigkeit des Werkstoffs zum Fließen ab, und Spannungen können im Bauteil eingefroren werden. Die daraus resultierende Verformung kann als Durchbiegung, Ovalität, Verdrehung oder Änderung des Lochdurchmessers sichtbar werden; Eigenspannungen können auch dann bestehen bleiben, wenn die gemessenen Abmessungen akzeptabel erscheinen. Die Umwandlung fügt eine zweite, zeitabhängige Dehnung hinzu. In einem unlegierten Kohlenstoffstahl oder niedriglegierten Stahl kann sich die Oberfläche von Austenit zu Martensit umwandeln, während der Kern noch aus heißem Austenit besteht. Die martensitische Umwandlung verursacht im Allgemeinen eine Ausdehnung, wohingegen die Abkühlung von nicht umgewandeltem Austenit eine thermische Kontraktion bewirkt. Die sich früh ausdehnende Oberfläche wird durch den Kern behindert. Später, wenn sich der Kern umwandelt, wird seine Ausdehnung durch den bereits umgewandelten und kühleren Außenbereich behindert. Abhängig vom Stahltyp, vom Abkühlungsverlauf und von der Temperatur, bei der sich die einzelnen Bereiche umwandeln, kann sich der Spannungszustand während des Abschreckens im Vorzeichen ändern. Bainit oder Perlit können anstelle von Martensit entstehen, wenn ein Bereich zu langsam abkühlt oder wenn der Stahl keine ausreichende Härtbarkeit besitzt. Ihre Umwandlungsdehnungen und mechanischen Eigenschaften unterscheiden sich von denen des Martensits. Restaustenit kann während der anschließenden Abkühlung, beim Anlassen, im Betrieb oder beim Schleifen eine weitere Maßänderung verursachen. Daher können zwei Bereiche mit derselben Endhärte dennoch unterschiedliche Eigenspannungen aufweisen, wenn sie unterschiedliche thermische und umwandlungsbedingte Vorgänge durchlaufen haben. Die Übersichtsarbeit im *International Journal of Materials and Product Technology* nennt ungleichmäßige thermische Gradienten als eine wesentliche Ursache des Abschreckverzugs. Diese Aussage sollte nicht auf „die Oberfläche kühlt schneller ab“ reduziert werden. Entscheidend ist der sich verändernde Gradient und die damit verbundene mechanische Behinderung. Beides wird durch die Geometrie gesteuert. Eine scharfe Ecke besitzt pro Volumeneinheit eine größere Oberfläche als ein zentraler Steg, während eine Sacklochbohrung, eine Keilnut, ein dünner Flansch oder eine unterbrochene Oberfläche den örtlichen Fluidzugang und den Wärmefluss verändert. Eine aufgekohlte Randschicht an einem kohlenstoffarmen Stahl, beispielsweise bei einem aufgekohlten Bauteil aus SAE 8620, wandelt sich ebenfalls anders um als dessen kohlenstoffärmerer Kern. Ein durchgehärteter Querschnitt aus AISI 4140 stellt eine andere thermische und umwandlungsbedingte Aufgabe dar als dieses einsatzgehärtete Bauteil. ### Abschreckintensität und Gleichmäßigkeit des Abschreckens Die Bezeichnungen der Abschreckmittel legen die Abkühlgeschichte nicht allein fest. | Abschreckmittel | Allgemeine Prozesseigenschaft | Wichtigster Kontrollaspekt | |---|---|---| | Wasser | Schnelle Wärmeabfuhr | Ausgeprägte Gradienten und Wärmeschock | | Polymerlösung | Das Abkühlverhalten variiert mit Konzentration und Umwälzung | Gleichmäßigkeit von Konzentration und Strömung | | Öl | Im Allgemeinen langsamere Abkühlung | Temperatur, Viskosität und Umwälzung | | Gas | Geringere Schärfe bei kontrollierter gerichteter Strömung | Druck, Geschwindigkeit und Einwirkungsdauer | | Salzschmelze | Gestufte oder kontrollierte thermische Reaktion | Badzustand und Zeitpunkt des Transfers | Die Abschreckintensität beschreibt die Fähigkeit eines Kühlsystems, Wärme aus dem Stahl abzuführen. Die Grossmann-Analyse beschreibt die Kühlintensität mit dem Parameter *H*, doch *H* ist keine universelle Werkstoffkonstante. Der Wert hängt vom Abschreckmittel, von der Temperatur, der Bewegung, dem Oberflächenzustand, der Orientierung des Bauteils sowie vom Verhältnis zwischen Fluid und Bauteiloberfläche ab. Ein Wasserbad, eine Polymerlösung, Öl, Gas oder ein Salzschmelzprozess können sehr unterschiedliche Abkühlungskurven erzeugen, und dasselbe nominelle Abschreckmittel kann sich in verschiedenen Behältern unterschiedlich verhalten. #### Warnhinweis zum Abschrecken Wählen Sie die Abschreckschärfe im Verhältnis zur Härtbarkeit des Stahls, zur Querschnittsdicke, zur Geometrie und zum erforderlichen Gefüge. Eine schnellere Abkühlung kann die Kernhärtung verbessern, während sie zugleich die Gradienten und das Rissbildungsrisiko erhöht. Eine höhere Abschreckintensität erhöht die Abkühlgeschwindigkeit und kann die Martensitbildung im Kern eines härtbaren Querschnitts fördern. Sie kann jedoch auch den Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern vergrößern, insbesondere bei ungleichmäßigem Fluidzugang. Dadurch können sich thermische Spannungen und Verzug erhöhen. Ein langsameres Abschrecken ist jedoch nicht automatisch sicherer: Langsame Abkühlung kann in bestimmten Bereichen die Bildung von Perlit oder Bainit ermöglichen, den Zeitraum verlängern, in dem Temperaturunterschiede bestehen, und zu Umwandlungsinkompatibilitäten zwischen benachbarten Querschnitten führen. Es gibt keine allgemeingültige Regel, nach der eine höhere Abschreckintensität den Verzug immer erhöht oder immer verringert. Entscheidend ist, wie die gesamte Abkühlungskurve mit dem Stahl und dem Bauteil wechselwirkt. Eine hochhärtbare Legierung kann die erforderliche Kernumwandlung bei einem moderaten Abschrecken erreichen, während ein Stahltyp mit geringerer Härtbarkeit eine schnellere Abkühlung erfordern kann. Ein intensives Abschrecken kann bei einer Geometrie den Verzug verringern, indem es die für die differentielle Abkühlung verfügbare Zeit verkürzt, ihn bei einer anderen Geometrie jedoch vergrößern, indem es einen größeren momentanen Gradienten erzeugt oder eine ungleichmäßige Dampfblasenbildung verursacht. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* stellt ausdrücklich einen Zusammenhang zwischen Verzug und Eigenspannung einerseits sowie der Auswahl des Abschreckmittels, der Abschreckintensität, der Geometrie, der Querschnittsdicke, der Wärmeübertragung und der Phasenumwandlung andererseits her. Die Gleichmäßigkeit ist daher ebenso wichtig wie die nominelle Abschreckintensität. Wenn eine Seite eines Blechs einer starken Fluidbewegung ausgesetzt ist, während die gegenüberliegende Seite in einer stagnierenden Zone liegt, können sich die beiden Seiten zu unterschiedlichen Zeitpunkten umwandeln. Bei einer langen Welle können sich entlang ihrer Länge unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten entwickeln, die durch die Strömung im Behälter, Vorrichtungen, Endeffekte oder Unterschiede in der freiliegenden Oberfläche verursacht werden. Zu dicht gepackte Bauteile können sich gegenseitig abschirmen. Körbe, Gestelle, Abdeckungen und Kontaktstellen können örtliche Unterschiede der Wärmeübertragung erzeugen, die groß genug sind, um Härte und Form zu verändern. \[4\] \[4\] [**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. Eigenspannung ist nicht gleichbedeutend mit Verzug. Ein Bauteil kann erhebliche, sich selbst im Gleichgewicht haltende Spannungen mit nur geringer unmittelbarer Maßänderung aufweisen, während sich ein anderes sichtbar verformt, weil ein kleineres Spannungsgleichgewicht plastisches Fließen verursacht. Dieser Unterschied wird bei der Bearbeitung wichtig. *Metallurgy of Heat Treatment*, archiviert vom National Institute of Standards and Technology, berichtet, dass nicht abgebauter Abschreckspannungen zu Verwerfungen führen können, wenn der Materialabtrag das ursprüngliche Spannungsgleichgewicht stört. Ein Bauteil, das nach dem Abschrecken gerade ist, ist daher nicht notwendigerweise spannungsfrei. ### Temperatur, Bewegung und Siedeverhalten des Abschreckmittels Ein Abschreckmittel führt Wärme über mehrere Stufen ab, die stark von der Fluidtemperatur und der Fluidbewegung beeinflusst werden. In Wasser oder Öl kann eine heiße Stahloberfläche zunächst einen Dampfmantel erzeugen. Diese Filmsiedestufe isoliert die Oberfläche und kann sie weniger wirksam kühlen als erwartet. Wenn die Dampfschicht zusammenbricht, kann die Blasensiedestufe Wärme wesentlich schneller abführen. Bei niedrigeren Oberflächentemperaturen nimmt das Sieden ab, und die Konvektion wird zum maßgeblichen Kühlmechanismus. Der Dampffilm ist bei einem realen Bauteil nur selten überall gleichmäßig. Er kann auf einer nach oben gerichteten Oberfläche bestehen bleiben, sich in der Nähe einer Kante auflösen oder an einer Ecke unregelmäßig abreißen. Diese örtlichen Unterschiede führen zu einer ungleichmäßigen Abkühlung. Dies ist ein Grund dafür, warum Bewegung des Abschreckmittels den Verzug verringern kann, obwohl sie häufig die mittlere Abschreckintensität erhöht: Die Bewegung unterbricht Dampfmantel und verbessert die Gleichmäßigkeit. Eine übermäßige oder ungünstig gerichtete Bewegung kann jedoch unterschiedliche örtliche Strömungsfelder erzeugen und die Abkühlung auf einer Fläche stärker intensivieren als auf einer anderen. Die Temperatur des Abschreckmittels verändert die Viskosität, das Siedeverhalten, die Wärmekapazität und die Stabilität des Dampffilms. Kaltes Wasser kann eine schnelle Wärmeabfuhr ermöglichen, zugleich jedoch scharfe Gradienten und einen hohen Thermoschock erzeugen. Wärmeres Öl kühlt gewöhnlich langsamer ab, während die Polymerkonzentration sowohl die Abkühlgeschwindigkeit als auch den Übergang zwischen Sieden und Konvektion verändert. Das Abschrecken in Gas ist weniger intensiv, kann jedoch bei der Vakuumwärmebehandlung eine kontrollierte, gerichtete Strömung ermöglichen. Der richtige Vergleich sollte auf gemessenen Abkühlungskurven an relevanten Positionen beruhen und nicht allein auf der Bezeichnung des Abschreckmittels. Auch die Gestaltung des Behälters und die Bewegung des Bauteils sind von Bedeutung. Eine Rotation kann die Umfangsabkühlung eines zylindrischen Bauteils vergleichmäßigen, doch eine ungeeignete Drehzahl kann die Entfernung des Dampffilms verändern, ohne axiale Unterschiede auszugleichen. Ein Bauteil, das in einen Behälter abgesenkt wird, kann eine andere thermische Vorgeschichte erfahren als ein Bauteil, das vollständig auf einmal eingetaucht wird. Der örtliche Fluidzugang an Bohrungen, Zähnen, Vertiefungen und Kontaktstellen zu Vorrichtungen muss berücksichtigt werden. ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Eigenspannungen als eigenständige Beiträge in vergüteten Stählen. Die Richtlinien zur Wärmebehandlung nennen außerdem die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als zentrale Auslegungskriterien. Die Erfüllung dieser Kriterien erfordert die Kontrolle der gesamten Abschreckfolge: des Temperaturfelds von der Oberfläche zum Kern, des Zeitpunkts und Umfangs der Umwandlung, der Reaktion von Spannung und plastischer Dehnung sowie der räumlichen Gleichmäßigkeit der Wärmeabfuhr. Abschrecken bedeutet nicht eine einzige Abkühlgeschwindigkeit. Es ist eine sich bewegende thermische und metallurgische Randbedingung, die auf einen behinderten und sich verändernden Festkörper angewendet wird. ## 6. Phasenumwandlungen und durch Umwandlungen induzierte Dehnung Stahl kühlt nicht als einheitlicher elastischer Festkörper ab. Während des Abschreckens kann die Oberfläche einen Umwandlungsbereich durchlaufen, während der Kern noch austenitisch bleibt; später wandelt sich der Kern unter einem anderen Spannungszustand und bei einer anderen Abkühlgeschwindigkeit um. Jeder Bereich folgt daher seinem eigenen thermischen und metallurgischen Verlauf. Die resultierenden Abmessungen werden durch das Zusammenwirken von Wärmekontraktion, Phasenumwandlungsdehnung, elastischer Spannung, plastischem Fließen, Geometrie und Behinderung bestimmt. ASM International unterteilt die Eigenspannungen der Wärmebehandlung in thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Beiträge. Diese Kategorien helfen bei der Beschreibung der Mechanismen, sind in einem tatsächlichen Bauteil jedoch nicht unabhängig voneinander. Ein Temperaturgradient erzeugt Spannung; diese Spannung verändert die mit der Umwandlung einhergehende Dehnung; der umgewandelte Bereich ändert sein Volumen und seine Steifigkeit, wodurch die Spannung anschließend in benachbartes Material umverteilt wird. Die Übersichtsarbeit der Autoren von *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review* aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* behandelt Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität dementsprechend als miteinander wechselwirkende Variablen und nicht als voneinander unabhängige Korrekturfaktoren. ### Beginn und Abschluss der Umwandlung über den Querschnitt Bei der Umwandlung von Austenit während der Abkühlung sind die maßgeblichen Temperaturen keine einheitlichen Werte für das gesamte Bauteil. Es handelt sich um lokale Vorgänge. Perlit beginnt sich bei der lokalen Perlit-Starttemperatur zu bilden und entsteht bis zu einer niedrigeren Temperatur vollständig; Bainit beginnt sich bei der Bainit-Starttemperatur zu bilden, die gewöhnlich mit Bs bezeichnet wird, und die Umwandlung endet nahe Bf. Martensit entsteht ab Ms und bildet sich weiter, während die Temperatur bis zur Martensit-Finish-Temperatur Mf sinkt. Legierungszusammensetzung, Austenitkorngröße, Kohlenstoffgehalt, vorausgegangene Verarbeitung und Abkühlgeschwindigkeit verschieben diese Temperaturen und verändern den gebildeten Anteil. Die Oberfläche eines dünnen Querschnitts kann Ms erreichen, während sich das Zentrum eines dicken Querschnitts noch oberhalb des Bainit- oder Perlitbereichs befindet. In einem abgeschreckten Bauteil aus AISI 4140 kann beispielsweise die äußere Schicht zuerst Martensit bilden und dabei eine Umwandlungsdehnung erfahren, während der heiße Kern noch thermisch kontrahiert und vergleichsweise nachgiebig bleibt. Wenn sich der Kern später umwandelt, wird er durch die gehärtete Randschicht behindert. Derselbe nominelle Stahl kann daher an der Oberfläche Martensit, im langsamer abgekühlten Inneren Bainit oder Perlit sowie unterschiedliche Eigenspannungen über den Übergangsbereich hinweg enthalten. Umwandlungsdiagramme zeigen diesen Wettbewerb in Abhängigkeit von Zeit und Temperatur und nicht lediglich von der Temperatur allein. Ein Verlauf der kontinuierlichen Abkühlungsumwandlung kann den Perlit- und Bainitbereich umgehen, wenn die Abkühlung ausreichend schnell erfolgt; die Querschnittsdicke und die Wärmeabfuhr bestimmen jedoch, ob diese Bedingung überall erfüllt ist. Rühren, Temperatur des Abschreckmittels, Bildung eines Dampfhauts, Orientierung des Bauteils und lokale Geometrie verändern den Abkühlungsverlauf. Scharfe Ecken, Bohrungen, dünne Stege und massive Ansätze kühlen nicht gleichzeitig ab. „Umwandlungsbeginn“ kennzeichnet außerdem den Beginn eines dehnungserzeugenden Vorgangs und nicht lediglich eine in einem Gefügebild sichtbare Veränderung. Vor der Umwandlung kann der austenitische Bereich thermische Spannungen elastisch und plastisch aufnehmen. Sobald sich Ferrit, Zementit, Bainit oder Martensit zu bilden beginnt, ändern sich der lokale Elastizitätsmodul, die Streckgrenze, die Dichte und das Wärmeausdehnungsverhalten. Der Umwandlungsabschluss bedeutet nicht, dass sämtliche Maßänderungen oder die Entwicklung von Spannungen beendet sind: Die Temperatur kann sich weiter verändern, in einigen Umwandlungsprodukten kann die Kohlenstoffumverteilung fortschreiten, und nicht umgewandelter Austenit kann zurückbleiben. ### Volumenänderung und Umwandlungsplastizität Die Dichte der Produktphasen unterscheidet sich von derjenigen des Austenits, sodass die Umwandlung eine Volumenänderung bewirkt. Vorzeichen und Größe hängen von der Zusammensetzung und vom Umwandlungsprodukt ab. Martensit besitzt gewöhnlich ein größeres spezifisches Volumen als der Ausgangsaustenit, insbesondere bei steigendem Kohlenstoffgehalt, während die thermische Kontraktion während der Abkühlung in die entgegengesetzte Richtung wirkt. Auch Bainit und Perlit erzeugen Umwandlungsdehnungen, obwohl sich ihre Morphologie, Kohlenstoffverteilung und Umwandlungstemperatur von denen des Martensits unterscheiden. Das maßgebliche Ergebnis für die Abmessungen ist kein einzelner Wert für eine freie Ausdehnung. Ein kleiner Probekörper, der sich gleichmäßig umwandelt, kann seine Größe ändern, ohne sich zu biegen. Ein tatsächliches Bauteil wandelt sich jedoch fortschreitend über seinen Querschnitt um, sodass eine Schicht die andere behindert. Übersteigt die lokale Umwandlungsdehnung die verfügbare elastische Anpassung, tritt plastische Verformung auf. Das Bauteil kann anschließend eine Verformung beibehalten, nachdem es auf Raumtemperatur zurückgekehrt ist, selbst wenn die endgültige mittlere Volumenänderung gering erscheint. Umwandlungsplastizität **Umwandlungsplastizität** Durch eine Phasenumwandlung unterstützte plastische Verformung unter angelegter oder innerlich erzeugter Spannung. Umwandlungsplastizität ist die zusätzliche plastische Dehnung, die entsteht, wenn eine Phasenumwandlung stattfindet, während das Material einer äußeren oder inneren Spannung unterliegt. Die Spannung muss dabei nicht groß genug sein, um im nicht umgewandelten Austenit ein gewöhnliches plastisches Fließen zu verursachen. Die Umwandlung verändert das Verformungsverhalten des Materials, und die Spannung beeinflusst die Richtung oder den Betrag der resultierenden Dehnung. Ein Ring, eine Platte oder ein Zahn eines Zahnrads kann sich daher biegen, verdrehen oder seinen Durchmesser ändern, während eine Umwandlungsfront hindurchläuft. Dieser Mechanismus erklärt, warum Eigenspannung und Verformung miteinander gekoppelt, aber nicht identisch sind. Eigenspannung ist ein sich selbst im Gleichgewicht befindliches Spannungsfeld, das nach dem Abkühlen und Entlasten zurückbleibt; Verformung ist eine bleibende Änderung der Form oder der Abmessungen. Spannung kann bei kaum sichtbarer Verformung vorhanden sein, wenn die Geometrie und entgegengesetzt wirkende Bereiche sie ausgleichen. Umgekehrt kann Umwandlungsplastizität ein ungleichförmiges inneres Spannungsfeld in Verzug umwandeln. Der Bericht des *Worcester Polytechnic Institute* beschreibt den Abschreckverzug als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeentwicklung umfasst. Dies ist eine genauere Beschreibung, als den Verzug allein als Problem des Abschreckmediums zu behandeln. ### Martensit, Bainit, Perlit und Restaustenit Martensit ist häufig die wichtigste einzelne Quelle für Abschreckdehnung in gehärtetem Stahl. Er entsteht durch eine diffusionslose Scherumwandlung, sodass der Kohlenstoff in einer übersättigten, tetragonal raumzentrierten Struktur eingeschlossen bleibt, anstatt sich langsam zwischen Ferrit und Zementit zu verteilen. Seine Bildung verursacht eine schnelle Volumenzunahme und eine Formdehnung. Da Martensit über einen Temperaturbereich und nicht in einem einzigen Augenblick entsteht, können sich verschiedene Bereiche eines Bauteils unter unterschiedlichen Behinderungsbedingungen umwandeln. Eine harte martensitische Randschicht, die einen weicheren Kern umgibt, neigt besonders zu einer Umverteilung der Spannungen. Bainit entsteht bei Temperaturen unterhalb des Perlitbereichs und oberhalb des Martensit-Startbereichs, wobei die genauen Bereiche von der Legierungschemie und der Abkühlungsgeschichte abhängen. Ober- und Unterbainit weisen unterschiedliche Morphologien und ein unterschiedliches Dehnungsverhalten auf. Die bainitische Umwandlung kann beträchtliche Maßänderungen verursachen, insbesondere wenn sie in dicken oder komplexen Querschnitten ungleichmäßig erfolgt. Sie kann den Martensitanteil verringern und das endgültige Spannungsbild verändern, beseitigt jedoch nicht den Umwandlungsverzug. Perlit entsteht durch das gleichzeitige Wachstum von Ferrit und Zementit bei vergleichsweise höheren Umwandlungstemperaturen. Seine Umwandlungsdehnung wird im Allgemeinen über einen längeren Zeitraum aufgenommen als die bei der Martensitbildung, sodass mehr thermische und plastische Entspannung möglich ist. Dadurch wird Perlit jedoch nicht maßlich unbedeutend. Ein langsam abgekühlter Kern, in dem sich Perlit bildet, während die Oberfläche bereits hart ist, kann eine Behinderung der Randschicht bewirken; die daraus entstehende Spannung kann später während der Bearbeitung abgebaut werden. Restaustenit **Restaustenit** Austenit, der nach der Abkühlung ungewandelt verbleibt und sich später während des Anlassens, im Betrieb, beim Schleifen oder während der Lagerung umwandeln kann. Restaustenit ist Austenit, der unterhalb der Raumtemperatur erhalten bleibt, weil die lokale Mf-Temperatur nicht erreicht wird oder weil Kohlenstoff und Legierungselemente ihn stabilisieren. Hochkohlenstoffstähle, aufgekohlte Randschichten und stark legierte Stähle können erhebliche Mengen davon enthalten. Sein Vorhandensein verändert sowohl die unmittelbaren Abmessungen als auch die spätere Maßbeständigkeit. Während des Einsatzes, Anlassens, einer Tieftemperaturbehandlung, des Schleifens oder einer nachfolgenden Belastung kann sich Restaustenit in Martensit oder ein anderes Umwandlungsprodukt umwandeln. Diese spätere Umwandlung kann das Volumen vergrößern und die Form verändern, nachdem die nominelle Wärmebehandlung bereits abgeschlossen ist. Diese verzögerte Veränderung ist ein Grund dafür, dass die Maßprüfung nicht immer auf den Ausgang des Ofens beschränkt werden kann. Ein Bauteil kann die erste Messung bestehen und sich dennoch während des Anlassens oder des Fertigschleifens verformen. NIST weist in *Metallurgy of Heat Treatment* darauf hin, dass nicht abgebauten Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verzug verursachen können, wenn der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen stört. Die Richtlinien von ASM zur Auslegung von Wärmebehandlungen nennen daher die Minimierung von Verformung und unerwünschten Eigenspannungen als wesentliche Auslegungskriterien. Phasenanteile, Umwandlungstemperaturen und Restaustenit müssen gemeinsam mit der Querschnittsdicke und der Gleichmäßigkeit des Abschreckens berücksichtigt werden und dürfen nicht nachträglich als Korrekturen ergänzt werden. ## 7. Geometrie, Abschnittsdicke und Bauteilkonstruktion Die Geometrie bestimmt, wie schnell Wärme in ein Stahlbauteil ein- und aus ihm austritt, wo die Umwandlung beginnt und in welchem Umfang sich die einzelnen Bereiche ungehindert ausdehnen oder zusammenziehen können. Dasselbe Abschrecken, angewendet auf eine Welle aus AISI 4140 und auf eine Platte aus AISI 4140 mit Rippen, Ansätzen und Sacklöchern, führt nicht zum gleichen Spannungsmuster. Werkstoffgüte, Härtbarkeit, Ausgangsgefüge, Aufheizgeschwindigkeit, Austenitisierungsverfahren und Abschreckmittel sind weiterhin von Bedeutung, doch die Querschnittsform entscheidet darüber, wie diese Einflussgrößen im Bauteil verteilt werden. ASM International unterscheidet bei vergüteten Stählen thermische, umwandlungsbedingte und Härtungseigenspannungen als separate Beiträge. In einem realen Bauteil bleiben sie jedoch nicht getrennt. Ein Temperaturunterschied erzeugt eine thermische Dehnung; ein Umwandlungsunterschied fügt eine Umwandlungsdehnung hinzu; das umgebende Material behindert beide und erzeugt dadurch elastische Spannungen. Überschreitet die örtliche Spannung die Fließfestigkeit, kommt es zu einer plastischen Verformung. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* behandelt deshalb Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Abschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität als miteinander wechselwirkende Faktoren und nicht als unabhängige Eingangsgrößen. ![Diagramm einer Stahlnabe und eines Stegs mit unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten an einem Übergang von einem dicken zu einem dünnen Bereich](/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 "Bild vergrößern — Diagramm einer Stahlnabe und eines Stegs mit unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten an einem Übergang von einem dicken zu einem dünnen Bereich")Section changes alter heat flow, transformation timing, and local restraint. ### Übergänge von dicken zu dünnen Bereichen und thermische Masse Ein dicker Bereich enthält je Oberflächeneinheit mehr thermische Masse als ein dünner Bereich. Beim Erwärmen kann der dünne Abschnitt zuerst die Austenitisierungstemperatur erreichen, während der Kern des dicken Abschnitts noch kühler bleibt. Beim Abschrecken kehrt sich die Abfolge auf andere Weise um: Der dünne Bereich gibt Wärme rasch ab, während der dicke Bereich Wärme speichert und sich möglicherweise noch weiter umwandelt, nachdem der dünne Bereich bereits gehärtet ist. Ihre Temperaturverläufe, Umwandlungszeiten, Martensitanteile und örtlichen Volumenänderungen können sich daher unterscheiden. Ein abrupter Absatz zwischen einem Ansatz mit 40 mm und einem Steg mit 10 mm ist eine klassische Zone mit Behinderung. Der Steg kann sich zusammenziehen, während der Ansatz noch heiß und maßlich ausgedehnt ist. Später zieht sich der Ansatz zusammen und kann den Steg in eine andere Form zwingen. Wenn sich der dickere Bereich später umwandelt, kann seine Ausdehnung oder Kontraktion den während der ersten Abkühlungsphase entstandenen Spannungszustand verändern. Das Ergebnis kann örtliches Fließen, eine Konzentration von Eigenspannungen oder eine Maßänderung sein, die durch ein einfaches Aufmaß für eine gleichmäßige Abschreckschwindung nicht vorhergesagt wird. Die Konstruktion sollte allmähliche Übergänge bevorzugen: großzügige Ausrundungen, sich verjüngende Stege, fließend angebundene Ansätze und möglichst gleichmäßige Wanddicken. Eine allmähliche Änderung beseitigt Temperaturgradienten nicht, verteilt sie jedoch über eine größere Strecke und verringert die ausgeprägte Behinderung an einer einzelnen Querschnittsgrenze. Wo ein schwerer Querschnitt nicht vermieden werden kann, sollte die Zeichnung den Übergang als wärmebehandlungstechnisches Merkmal und nicht lediglich als Bearbeitungsdetail kennzeichnen. Heiz- und Abschrecksimulationen können dann die örtliche Temperatur- und Phasenumwandlungsgeschichte untersuchen, anstatt das Bauteil als gleichmäßigen Block zu behandeln. Dasselbe Prinzip gilt für aufgekohlte, nitrierte und induktionsgehärtete Bauteile. Eine harte Randschicht über einem weichen oder langsam abkühlenden Kern erzeugt eine weitere, von der Bauteildicke abhängige Inkompatibilität. Randschicht- und Einsatzhärtung verändern, wie in den Teilen I und II der Studie im *International Journal of Materials and Product Technology* erläutert, die Lage und Größe der Eigenspannungen. Auch das Fertigschleifen kann diese Spannungen freisetzen oder umverteilen. Das Materialdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology stellt in *Metallurgy of Heat Treatment* fest, dass nicht abgebauten Absch实现spannungen während der Bearbeitung Verzug verursachen können, weil der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen verändert. Konstrukteure sollten daher Bearbeitungsaufmaß unter Berücksichtigung der Behinderung vorsehen, dünne Bereiche während der Behandlung, soweit praktikabel, abstützen und eine Zwischenentspannung oder ein Anlassen festlegen, wenn die Prozessfolge dies erfordert. Aufmaß ist keine Garantie gegen eine Bewegung. Es ermöglicht lediglich eine kontrollierte Korrektur nach den hauptsächlichen spannungserzeugenden Arbeitsgängen. ### Symmetrie, Ungleichgewicht und Verformungsarten Ein geometrisch symmetrisches Bauteil neigt dazu, ausgewogenere thermische und umwandlungsbedingte Dehnungen zu entwickeln. Symmetrie gewährleistet keine Verformungsfreiheit, da Abschreckströmung, Vorrichtung, Beladung und Werkstoffvorgeschichte das Gleichgewicht stören können. Sie beseitigt jedoch eine wesentliche Ursache ungleicher Behinderung. Ein asymmetrisches Bauteil kühlt auf gegenüberliegenden Seiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ab, und eine Seite kann sich früher umwandeln oder einen anderen Zustand hinsichtlich Martensit, Bainit oder Restaustenit erreichen. Die ungleiche Dehnung führt zu Biegung oder Torsion. Eine ebene Platte mit nur einer schweren Rippe kann sich zur Rippe hin oder von ihr weg wölben, wenn beide Seiten unterschiedliche Kontraktionsverläufe durchlaufen. Eine Welle mit einer exzentrischen Keilnut kann sich biegen oder verdrehen, weil die genutete Seite weniger Masse und eine andere Kühloberfläche besitzt. Ein Ring mit ungleichmäßiger Wanddicke kann oval werden, anstatt kreisförmig zu bleiben. Wenn die thermischen und umwandlungsbedingten Unterschiede entlang der Länge variieren, können sich der Ring oder die Welle zusätzlich verjüngen. Dies sind typische Verformungsarten, keine universellen Ergebnisse: Richtung und Größe hängen von Stahlgüte, Härtbarkeit, Querschnittsabmessungen, Abschreckintensität, Umwälzung, Orientierung und Behinderung ab. #### Verformungsarten - **Wölbung** Krümmung entlang der Achse einer Platte, eines Stabs oder einer Welle. - **Verdrehung** Winkeldrehung entlang der Länge. - **Unrundheit** Verlust der Kreisform bei Ringen und zylindrischen Bauteilen. - **Konizität** Fortschreitende Änderung eines Maßes entlang einer Länge. - **Maßzunahme oder Schrumpfung** Maßänderung durch Umwandlung, thermische Kontraktion oder Spannungsabbau. Häufige Maßänderungen zeigen sich in unterschiedlichen geometrischen Formen: - **Durchbiegung** ist eine Krümmung entlang der Achse einer Platte, eines Stabs oder einer Welle und steht häufig mit einer ungleichen Dehnung zwischen gegenüberliegenden Flächen in Zusammenhang. - **Verdrehung** ist eine Winkelrotation entlang der Länge, die häufig durch asymmetrische Rippen, Keile, Nuten oder einen ungleichmäßigen Zugang des Abschreckmittels begünstigt wird. - **Ovalität** ist der Verlust der Kreisform bei Ringen und zylindrischen Bauteilen, wenn Abkühlung oder Umwandlung in Umfangsrichtung ungleichmäßig verlaufen. - **Verjüngung** ist eine fortschreitende Maßänderung entlang einer Länge, die durch einen veränderlichen Querschnitt, Wärmefluss oder Umwandlungsverlauf verursacht wird. - **Wachstum** kann mit einer Umwandlung oder dem Verhalten von Restaustenit einhergehen, während **Schwindung** aus thermischer Kontraktion, Umwandlungsdehnung und der Freisetzung von Bearbeitungsspannungen resultieren kann. Diese Verformungsarten können sich überlagern. Ein abgeschrecktes Zahnrad kann in einer Messrichtung wachsen, leicht oval werden und einen axialen Rundlauffehler entwickeln. Die Aussage, dass ein Bauteil „Abschreckverzug“ aufweist, ist weniger aussagekräftig, als die gemessene Verformungsart zu benennen und sie mit der Geometrie in Verbindung zu bringen, die die ungleiche Behinderung verursacht hat. ASM führt in *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als eines der wesentlichen Auslegungskriterien für die Wärmebehandlung an. Dieses Prinzip spricht für ausgewogene Querschnitte, zentrisch angeordnete Merkmale, gleichmäßige Abstützung und einen möglichst gleichartigen Zugang des Abschreckmittels rund um das Bauteil. Es unterstützt außerdem die Auslegung von Bezugsflächen und Prüfstellen entsprechend der erwarteten Verformungsart, anstatt anzunehmen, dass sich jedes Maß um denselben Betrag verändert. ### Bohrungen, Kanten, Ecken und scharfe Querschnittsänderungen Eine Bohrung ist unter dem Gesichtspunkt der Wärmeübertragung kein unbedeutendes Detail. Ihre Innenfläche kann aus einer anderen Richtung abkühlen als die Außenfläche, während das Material um eine kleine Bohrung nur eine geringe thermische Masse aufweist. Eine Durchgangsbohrung kann außerdem das Abschreckmittel einströmen lassen und örtliche Strömungsunterschiede erzeugen. Sacklöcher verhalten sich anders, weil ihre Enden Wärme speichern und die Fluidbewegung einschränken können. Eng beieinanderliegende Bohrungen lassen dünne Stege zurück, die rasch abkühlen und sich umwandeln, während die umgebende Landfläche heißer bleibt und stärker behindert wird. Bohrungsgröße, -abstand, -tiefe und -ausrichtung sollten daher bei der Auslegung der Wärmebehandlung berücksichtigt werden. Wo die Maßgenauigkeit kritisch ist, sollte eine kleine Bohrung neben einem schweren Ansatz oder einer scharfen Innenschulter vermieden werden, sofern die daraus resultierenden örtlichen Spannungen und Verformungen nicht bewertet wurden. Ein Bohrungsmuster sollte so symmetrisch angeordnet werden, wie es die Funktion zulässt. Bei aufgekohlten oder nitrierten Bauteilen führen die festgelegte Randschichthärtetiefe und der nicht umgewandelte Kern zu einer weiteren Wechselwirkung zwischen Geometrie und Eigenspannung. Kanten und Ecken besitzen ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und kühlen häufig früher ab als große Flächen. An einer scharfen Außenkante kann sich ein steiler Temperaturgradient von der Kante in das Innere entwickeln. Eine Innenecke kann gleichzeitig Wärme speichern, die Abschreckströmung begrenzen und Spannungen konzentrieren. Die Ecke kann sich daher zu einem anderen Zeitpunkt umwandeln als die beiden angrenzenden Flächen. Scharfe Kanten verfügen außerdem über weniger Material zur Verteilung der Dehnung, wodurch örtliche plastische Verformung und Rissbildung bei starkem Abschrecken wahrscheinlicher werden. Großzügige Radien und Fasen verringern sowohl thermische Unstetigkeiten als auch mechanische Spannungskonzentrationen. Sie sollten unter Berücksichtigung von Bearbeitung, Ermüdung, Beschichtung und Härtungsanforderungen proportioniert werden; ein für die Bearbeitung ausreichender Radius kann für ein starkes Abschrecken dennoch zu klein sein. Das *International Journal of Materials and Product Technology* bezeichnet ungleichmäßige Temperaturgradienten als eine wesentliche Ursache des Abschreckverzugs, während das Worcester Polytechnic Institute das Phänomen als gekoppelte Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeänderung beschreibt. Die Bauteilkonstruktion kann diese Vorgänge nicht voneinander trennen. Sie kann jedoch dafür sorgen, dass ihre Wechselwirkung weniger ausgeprägt ist. Das U.S. Department of Energy und die University of Iowa stellen ebenfalls einen Zusammenhang zwischen thermischen Spannungen und Eigenspannungen in Stahlgussteilen sowie Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparatur, Maßfehlern und verringerter Betriebsleistung her. Die Gießereivorgeschichte, einschließlich früherer Wärmezyklen und örtlicher Erstarrungsbedingungen, muss berücksichtigt werden, wenn Endabmessungen und Eigenspannungen vorhergesagt werden. ## 8. Profile der Eigenspannungen nach dem Abschrecken Durch das Abschrecken erhält ein Stahlbauteil nicht einen einzigen Eigenspannungswert. Es entsteht vielmehr ein dreidimensionales Spannungsfeld, das sich von der Oberfläche zum Kern, um Ecken herum, entlang von Änderungen der Querschnittsdicke sowie in der Nähe von Bohrungen, Keilnuten, Ausrundungen und unterbrochenen Oberflächen verändert. Das endgültige Profil ergibt sich aus dem Zusammenwirken von thermischer Kontraktion, Phasenumwandlungsdehnung, elastischer Behinderung und örtlichem plastischem Fließen. ASM International unterteilt diese Beiträge in thermische, umwandlungsbedingte und durch das Härten verursachte Eigenspannungen, obwohl die Mechanismen während desselben Erwärmungs- und Abkühlungszyklus miteinander wechselwirken ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")). Eigenspannung und Verzug hängen zusammen, sind aber nicht identisch. Ein Bauteil kann beträchtliche Spannungen aufweisen und dennoch nur geringe Maßänderungen zeigen, weil sich gegenläufige Dehnungen gegenseitig ausgleichen. Umgekehrt kann ein mäßiges Spannungsfeld einen deutlich erkennbaren Verzug verursachen, wenn durch Zerspanen, Schleifen oder die Belastung im Betrieb die Behinderung entfernt wird, die zuvor die ursprüngliche Form stabilisiert hatte. ![Schematisches Eigenspannungsprofil durch einen abgeschreckten Stahlzylinder](/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 "Bild vergrößern — Schematisches Eigenspannungsprofil durch einen abgeschreckten Stahlzylinder")A quenched section can contain balancing compressive and tensile regions from surface to core. ### Spannungsmuster an Oberfläche und Kern Die Merkmale von Eigenspannungen hängen von der Abfolge ab, nicht einfach vom Begriff Abschrecken. | Abkühlungs- und Umwandlungsfolge | Mögliches endgültiges Spannungsmuster | Wichtige Variablen | |---|---|---| | Die Oberfläche schrumpft zuerst; der Kern bleibt heiß | An der Oberfläche kann sich früh eine Zugspannung entwickeln | Abkühlgradient und Fließen bei hoher Temperatur | | Der Kern schrumpft oder wandelt sich später um | Druckspannungen an der Oberfläche und Zugspannungen im Kern können verbleiben | Zeitpunkt der Umwandlung und Behinderung | | Ungleichmäßige Abkühlung um ein Merkmal | Gemischte lokale Zug- und Druckspannungsbereiche | Geometrie, Zugänglichkeit für das Fluid und Querschnittsdicke | Das bekannte Muster einer abgeschreckten Stahloberfläche mit Druckspannungen und eines Kerns mit Zugspannungen ist häufig, aber keine allgemeingültige Regel. Während der frühen Phase des Abschreckens kühlt die Oberfläche ab und zieht sich zusammen, während der heißere Innenbereich diese Kontraktion behindert. Die Oberfläche kann dadurch Zugspannungen ausgesetzt werden, die mitunter ihre Streckgrenze überschreiten, während im Kern Druckspannungen entstehen. Im weiteren Verlauf der Abkühlung zieht sich der Kern zusammen und kann sich umwandeln, nachdem die Oberfläche bereits deutlich abgekühlt ist. Das Spannungsmuster kann sich dann umkehren, sodass eine druckbeanspruchte Oberfläche und ein zugbeanspruchter Innenbereich zurückbleiben. Die martensitische Umwandlung macht diesen Ablauf komplexer. Austenit dehnt sich bei der Umwandlung in Martensit aus; das Ausmaß dieser Ausdehnung hängt vom Kohlenstoffgehalt, der Legierungszusammensetzung, der Umwandlungstemperatur und dem umgewandelten Anteil ab. Wandelt sich die Oberfläche zuerst um, wird ihre Ausdehnung durch das darunterliegende, kühlere oder noch austenitische Material behindert. Wandelt sich der Kern später um, kann seine Ausdehnung den an der Oberfläche bereits entstandenen Spannungszustand verändern. Bainit, Perlit, Martensit und Restaustenit tragen jeweils unterschiedliche Umwandlungsdehnungen bei. Eine Oberfläche, die schnell genug abkühlt, um Martensit zu bilden, kann daher ein anderes Spannungsprofil aufweisen als ein Kern, in dem Bainit oder ein Mischgefüge entsteht. Die Lage der Zugspannungen ist von Bedeutung, weil Zugspannungen an der Oberfläche eng mit der Rissinitiierung verbunden sind, während Druckspannungen an der Oberfläche das Öffnen von Ermüdungsrissen verzögern können. Unterhalb einer druckbeanspruchten Oberflächenschicht kann jedoch eine Zugspannungszone liegen, die durch eine Oberflächenmessung nicht erfasst wird. Die Röntgenbeugung untersucht üblicherweise nur ein flaches, oberflächennahes Volumen; das Ergebnis beschreibt diese Schicht und nicht das vollständige Bauteil. Neutronenbeugung, Synchrotronverfahren, Verfahren mit Auftrennen, Bohrlochverfahren und modellierte Profile können Informationen aus größerer Tiefe liefern, doch jedes Verfahren besitzt seine eigene Auflösung und eigene Annahmen. Die Geometrie verändert das Muster. Ein dünner Steg kann nahezu über seine gesamte Dicke abkühlen und sich umwandeln, während eine dicke Nabe, ein Zahnfuß oder ein Flansch länger einen heißen Innenbereich behält. Ecken und Kanten geben über mehr als eine Oberfläche Wärme ab und können sich früher umwandeln als das angrenzende Material. Ein scharfer Übergang der Querschnittsdicke kann daher sowohl thermische Gradienten als auch Umwandlungsunterschiede konzentrieren. Die Erörterung im *International Journal of Materials and Product Technology* aus dem Jahr 2005 bezeichnet ungleichmäßige thermische Gradienten als eine wesentliche Ursache des Abschreckverzugs ([Teil I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Teil I")). Die Temperatur des Abschreckmittels, die Bewegung des Abschreckmittels, seine Viskosität, sein Benetzungsverhalten und die örtliche Strömung bestimmen, wie schnell jede Oberfläche Wärme abgibt. Öl, Wasser, Polymerlösung, Salzschmelze und Gas erzeugen unterschiedliche Wärmeübertragungsverläufe. Selbst innerhalb eines einzigen Behälters kann eine verdeckte Oberfläche langsamer abkühlen als eine frei angeströmte Oberfläche. Die Übersichtsarbeit im *Journal of Materials Engineering and Performance* aus dem Jahr 2022 behandelt daher Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität als miteinander wechselwirkende und nicht als voneinander unabhängige Einflussgrößen ([Übersichtsarbeit von 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "Übersichtsarbeit von 2022")). ### Selbstgleichgewicht und Spannungsumlagerung Ein freies Bauteil kann nach dem Abkühlen keine resultierende unausgeglichene Kraft oder kein unausgeglichenes Moment beibehalten. Eigenspannungen müssen im gesamten Bauteil im Selbstgleichgewicht stehen: Zug- und Druckbereiche müssen sich hinsichtlich der Kräfte ausgleichen, und ihre Verteilung muss außerdem die Biegemomente ausgleichen. Das bedeutet nicht, dass jede örtliche Spannung klein ist. Es bedeutet, dass eine hoch beanspruchte Zugschicht einen ausgleichenden Druckbereich an anderer Stelle erfordert oder dass das vollständige dreidimensionale Feld ausgleichende Spannungen in einer anderen Richtung enthält. Das Entfernen von Material verändert dieses Gleichgewicht. Der vom National Institute of Standards and Technology archivierte Text *Metallurgy of Heat Treatment* erklärt, dass nicht abgebauten Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verzug verursachen können, weil die Materialabtragung das Gleichgewicht der Eigenspannungen stört ([NIST-Archiv für Werkstoffdaten](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "NIST-Archiv für Werkstoffdaten")). Ein Ring kann sich nach dem Ausbohren öffnen, eine Platte kann sich verziehen, nachdem eine ihrer Seiten gefräst wurde, und ein gehärtetes Zahnrad kann sich während des Fertigschleifens verformen. Dabei handelt es sich nicht um neue Spannungen, die allein durch die Maschine erzeugt werden. Sie sind die sichtbare Folge der Freisetzung eines bereits vorhandenen Spannungsfeldes. Die plastische Verformung im Mikromaßstab ist für diese Umlagerung von zentraler Bedeutung. Körner und Kornpakete wandeln sich nicht alle gleichzeitig oder auf dieselbe Weise um. Unterschiede in der kristallografischen Orientierung, der örtlichen Kohlenstoffkonzentration, der Struktur des ursprünglichen Austenitkorns und den Behinderungen durch benachbarte Phasen erzeugen kleine plastische Dehnungen. Der Artikel in Teil II des *International Journal of Materials and Product Technology* führt die Eigenspannung in abgeschrecktem Stahl teilweise auf diese plastische Verformung im Mikromaßstab zurück und stellt einen Zusammenhang mit den Bedingungen des Abschreckmittels, dem Oberflächen- und Einsatzhärten sowie dem abschließenden Schleifen her ([Teil II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Teil II")). Anlassen kann Spannungen durch Erholung und begrenzte strukturelle Anpassungen verringern, gewährleistet jedoch kein spannungsfreies Bauteil. ### Durchhärten im Vergleich zum Oberflächen- und Einsatzhärten Das Durchhärten erzeugt tendenziell ein Spannungsfeld über den größten Teil oder den gesamten Querschnitt, sofern der Querschnitt klein genug ist und der Stahl eine ausreichende Härtbarkeit besitzt. Ein niedriglegierter Stahl wie AISI 1045 kann nahe der Oberfläche Martensit bilden, während er in einem dicken Querschnitt zum Zentrum hin weichere Umwandlungsprodukte beibehält. Ein Stahl mit höherer Härtbarkeit wie AISI 4140 kann sich beim gleichen nominellen Abschrecken tiefergehend umwandeln, wodurch sich sowohl das Härteprofil als auch die Verteilung der Umwandlungsdehnungen verändern. Das resultierende Eigenspannungsprofil hängt vom tatsächlichen Querschnitt, von der Austenitisierung, dem ursprünglichen Gefüge und der Abschreckintensität ab – nicht allein von der Werkstoffbezeichnung. Das Oberflächenhärten erzeugt einen ausgeprägteren Werkstoffkontrast. Beim Induktionshärten wird eine Randschicht schnell erwärmt, während beim Aufkohlen der oberflächennahe Austenit vor dem Abschrecken mit Kohlenstoff angereichert wird; beim Nitrieren entsteht eine harte Verbindungs- oder Diffusionsschicht, ohne dass derselbe Umwandlungsweg im Grundwerkstoff wie beim Aufkohlen durchlaufen wird. In aufgekohltem Stahl kann sich die kohlenstoffreiche Randschicht bei einer niedrigeren Temperatur umwandeln und einen gewissen Anteil an Restaustenit behalten, während sich der kohlenstoffärmere Kern anders umwandelt. Die Ausdehnung der Randschicht, die Behinderung durch den Kern, Restaustenit und örtliche Plastizität können je nach zeitlichem Ablauf und Prozessbedingungen dazu führen, dass die Randschicht Druckspannungen, Zugspannungen oder ein gemischtes Profil aufweist. Aus Sicht der Spannungen bedeutet Oberflächenhärten daher nicht einfach nur „außen hart, innen weich“. Die Gleichmäßigkeit des Abschreckens ist besonders bei einsatzgehärteten Zahnrädern, Wellen und Lagerbauteilen wichtig. Eine ungleichmäßige Abkühlung entlang des Umfangs kann asymmetrische Umwandlungsdehnungen und Biegung verursachen, selbst wenn die Einsatzhärtungstiefe nominell gleichmäßig ist. Das abschließende Schleifen kann den Spannungszustand an der Oberfläche durch thermische und mechanische Einwirkungen zusätzlich verändern; übermäßiges Schleifen kann Zugspannungen einführen oder den beim Abschrecken aufgebauten Druckausgleich aufheben. ASM bezeichnet in *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als zentrale Kriterien für die Auslegung einer Wärmebehandlung ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM International")). Dieses Kriterium erfordert eine profilbezogene Betrachtungsweise. Das U.S. Department of Energy bringt thermische Spannungen und Eigenspannungen in Stahlgussteilen mit Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Verbindung ([Bericht des DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "Bericht des DOE")). Wie Arbeiten der University of Iowa hervorheben, kann auch die Vorgeschichte des Gießens die Ausgangsstruktur und das Spannungsfeld beeinflussen. Der Bericht des Worcester Polytechnic Institute behandelt den Abschreckverzug daher als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und die Entwicklung des Mikrogefüges umfasst ([WPI-Bericht](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "WPI-Bericht")). Eine Messung an der Oberfläche ist eine einzelne Beobachtung. Das Verhalten des Bauteils wird durch das gesamte Profil bestimmt. ## 9. Anlassen, Spannungsabbau und nachfolgende Wärmebehandlung ### Was das Anlassen verändert und was es nicht garantieren kann Anlassen ist eine kontrollierte Wiedererwärmungsbehandlung, die nach dem Härten angewendet wird, gewöhnlich unterhalb der unteren kritischen Temperatur Ac⁢1. Sein unmittelbarer Zweck besteht darin, das abgeschreckte Martensit zu verändern: Kohlenstoff verteilt sich neu, Übergangskarbide oder Zementit bilden sich, und das übersättigte martensitische Gitter verliert einen Teil seiner tetragonalen Verzerrung. Mit zunehmender Anlasstemperatur und -dauer nimmt die Härte im Allgemeinen ab, während Zähigkeit und Maßbeständigkeit zunehmen. Das Verhalten hängt von der Legierungszusammensetzung, der vorherigen Austenitisierung, der Querschnittsgröße, der Abschreckgeschwindigkeit und dem Anteil an Restaustenit ab. #### Grenzen des Anlassens Anlassen kann einige Spannungen abbauen und die Maßstabilität verbessern, aber es kann nicht jede Formänderung rückgängig machen, die durch ungleichmäßige Abkühlung, Umwandlungsdehnung oder lokales Fließen verursacht wurde. Das Anlassen verändert daher sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die Eigenspannungen, ist jedoch kein universelles Mittel zur Beseitigung von Verzügen. Ein Bauteil, das nach dem Abschrecken gekrümmt, verdreht oder oval aus dem Prozess kommt, kann diesen Zustand auch nach dem Anlassen beibehalten. Das Anlassen kann einen Teil der elastischen Spannungen abbauen und eine begrenzte plastische Anpassung ermöglichen; es kann jedoch nicht jede Formänderung rückgängig machen, die bereits durch ungleichmäßige Abkühlung, Umwandlungsdehnung oder örtliches Fließen entstanden ist. Eine Welle mit unterschiedlichen Martensitanteilen an ihrer Oberfläche und in ihrem Kern kann ihre Abmessungen während des Anlassens weiter verändern; ein aufgekohltes Bauteil kann in seiner Randschicht und in seinem Kern unterschiedlich reagieren; und Restaustenit kann sich während des Anlassens oder im späteren Betrieb umwandeln und dadurch eine zusätzliche Volumenänderung verursachen. Diese Unterscheidung folgt dem Kapitel *Eigenspannungen und Verzug in abgeschreckten und angelassenen Stählen* im ASM Handbook, das thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Eigenspannungen voneinander unterscheidet und zugleich zeigt, dass sie gemeinsam wirken. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 von den Autoren von *Eigenspannungen und Verzug beim Abschreckhärten von Stählen: Eine Übersicht* im *Journal of Materials Engineering and Performance* behandelt ebenfalls Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität als miteinander wechselwirkende Einflussgrößen. Das Anlassen kann ein ungeeignetes Abschreckmuster, eine ungeeignete Vorrichtung oder einen abrupten Querschnittsübergang nicht kompensieren. Eine nachfolgende thermische Beanspruchung kann neue Maßänderungen verursachen. Ein zweiter Anlassvorgang, ein Spannungsarmglühzyklus, Nitrieren, Aufkohlen, Induktionshärten, Hartlöten, Schweißen oder Endschleifen kann das Temperaturfeld und das Phasengleichgewicht verändern. Martensit kann weiter angelassen werden, Restaustenit kann sich umwandeln, und die Ausscheidung von Karbiden kann das örtliche Volumen und die Streckgrenze verändern. Das Endmaß ist folglich das Ergebnis der gesamten Prozessgeschichte und nicht lediglich das nach dem Abschrecken gemessene Maß. ### Thermisches Spannungsarmglühen Thermisches Spannungsarmglühen reduziert Eigenspannungen, indem der Stahl auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der örtliches plastisches Fließen und zeitabhängige Relaxation auftreten können, ohne das gesamte Bauteil absichtlich zu austenitisieren. Die gewählte Temperatur muss mit der erforderlichen Härte, Zähigkeit, Einsatzhärtungstiefe, Maßtoleranz und dem metallurgischen Zustand vereinbar bleiben. Ein für normalisierten niedriglegierten Stahl festgelegter Spannungsarmglühzyklus kann nicht unverändert auf ein vergütetes Werkzeug, ein aufgekohltes Zahnrad oder ein nitriertes Bauteil übertragen werden. *Metallurgie der Wärmebehandlung*, aufbewahrt im Materialdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology, bezeichnet die thermische Behandlung als einen Weg zur Verringerung von Eigenspannungen und warnt davor, dass nicht abgebaute Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verzug verursachen können. Der Mechanismus ist unmittelbar nachvollziehbar: Durch Erwärmung sinkt die Streckgrenze, sodass eingeschlossene Spannungen durch geringe plastische Dehnungen und kriechähnliches Fließen relaxieren können. Anschließend muss die Abkühlung kontrolliert werden. Wird das Bauteil ungleichmäßig erwärmt, zu kurz gehalten oder mit einer neuen Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern abgekühlt, kann die Behandlung ein Spannungsmuster durch ein anderes ersetzen. Auch das Spannungsarmglühen garantiert keinen verzugsfreien Zustand. Ein stark beanspruchter Ring kann seine Rundheit verändern, wenn sich das Spannungsfeld entspannt, obwohl die treibende Kraft für spätere Bewegungen durch die Behandlung verringert wurde. Ein Gussstück kann entsprechend seiner Erstarrungsgeschichte, der Querschnittsdicke, der Lage des Speisers und einer früheren Schweißreparatur reagieren. Ein Bericht des U.S. Department of Energy über Stahlgussstücke bringt Erwärmungs- und Abschreckspannungen mit Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Verbindung; Untersuchungen der University of Iowa betonen in ähnlicher Weise, dass die Gussgeschichte bei Vorhersagen der Endabmessungen und Eigenspannungen berücksichtigt werden muss. Aus diesem Grund sollte das thermische Spannungsarmglühen im Zusammenhang mit der vollständigen Prozessfolge geplant werden. Eine Grobbearbeitung vor dem Spannungsarmglühen kann spannungsbehaftetes Material abtragen und Bewegungen freilegen; ein Spannungsarmglühen vor der Grobbearbeitung kann dieses Risiko verringern, doch der Wiedererwärmungszyklus selbst kann Maßänderungen verursachen. Feinbearbeitung und Schleifen sollten, sofern die Toleranz dies erfordert, nach der abschließenden metallurgischen Behandlung erfolgen. Oberflächen- und einsatzgehärtete Bauteile erfordern besondere Sorgfalt, da Randschicht, Übergangszone und Kern unterschiedliche Zusammensetzungen, Umwandlungstemperaturen und Behinderungsbedingungen aufweisen. ### Mechanischer Spannungsabbau und Richten Der mechanische Spannungsabbau verändert die Form oder die Spannungsverteilung durch Kraftaufbringung, anstatt sich hauptsächlich auf die Temperatur zu stützen. Pressrichten, Rollenrichten, Kugelstrahlen, Kalibrieren, Prägen und kontrollierte Kaltverformung können eine messbare Biegung oder einen Rundlauf korrigieren. Sie wirken, indem ausgewählte Bereiche über ihre Elastizitätsgrenze hinaus belastet werden, sodass elastische Rückfederung und plastische Dehnung das Bauteil näher an die erforderliche Geometrie heranführen. Diese Korrektur ist nicht spannungsfrei. Durch das Richten werden Eigenspannungen umverteilt; auf einer Seite eines Querschnitts können Zugspannungen, auf der anderen Druckspannungen oder in der Nähe von Auflagen und Kontaktstellen örtliches Fließen entstehen. Bei gehärtetem Stahl kann eine übermäßige Kraft Risse verursachen; in einem hochfesten martensitischen Gefüge kann Kaltgeraderichten die Bruchfestigkeit verringern. Warmrichten reduziert die erforderliche Kraft, fügt jedoch einen thermischen Zyklus hinzu, der Martensit anlassen, Restaustenit verändern oder einen neuen Temperaturgradienten erzeugen kann. Das zulässige Verfahren hängt daher von Werkstoffgüte, Härte, Querschnittsgeometrie und Prüfanforderungen ab. Die mechanische Korrektur kann ein instabiles Bauteil auch lediglich kaschieren, anstatt die zugrunde liegende Ursache zu beheben. Wenn die Bearbeitung später eine spannungsbehaftete Oberflächenschicht abträgt, kann das korrigierte Bauteil zurückfedern oder sich in eine andere Richtung bewegen. *Metallurgie der Wärmebehandlung* aus dem Bestand des NIST beschreibt ausdrücklich den durch die Störung des Eigenspannungsgleichgewichts verursachten Bearbeitungsverzug. Untersuchungen im *International Journal of Materials and Product Technology* bringen Eigenspannungen in abgeschrecktem Stahl mit mikroskaliger plastischer Verformung sowie mit Bedingungen des Abschreckmittels, Oberflächen- oder Einsatzhärtung und Endschleifen in Verbindung. Eine geeignete Prozessfolge besteht daher darin, vermeidbare Spannungen während des Austenitisierens und Abschreckens zu verringern, zeitnah anzulassen, bei Bedarf eine kompatible thermische Spannungsarmbehandlung anzuwenden, anschließend grob zu bearbeiten, zu messen, nur innerhalb eines kontrollierten Verfahrens zu richten und nach der abschließenden thermischen Behandlung fertig zu bearbeiten oder zu schleifen. Das Worcester Polytechnic Institute beschreibt den Abschreckverzug als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und die Entwicklung des Gefüges umfasst. Richten und Spannungsabbau müssen in derselben Prozessfolge beurteilt werden. Bei kontrollierter Durchführung verringern sie das Risiko; unzureichend kontrollierte Wiedererwärmung, Krafteinleitung oder Materialabtragung können die nächste Maßänderung verursachen. ## 10. Zerspanen, Schleifen und die Freisetzung verborgener Spannungen Eine Wärmebehandlung hinterlässt ein Stahlbauteil nicht immer mit endgültig festgelegten Abmessungen. Ein abgeschrecktes und angelassenes Bauteil kann eine erste Prüfung bestehen und sich anschließend beim Drehen, Fräsen, Bohren oder Schleifen verformen. Der Zerspanvorgang hat die ursprüngliche Verformung nicht unbedingt verursacht. Er kann ein Ungleichgewicht der Eigenspannungen offengelegt haben, das bereits nach dem Erwärmen, Abschrecken, der Umwandlung und dem Anlassen vorhanden war. ASM International unterteilt die Eigenspannungen nach der Wärmebehandlung in thermische, umwandlungsbedingte und durch das Härten verursachte Anteile ([ASM Handbook, Eigenspannungen und Verzug in abgeschreckten und angelassenen Stählen](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, Eigenspannungen und Verzug in abgeschreckten und angelassenen Stählen")). Diese Spannungen bestehen neben Maßänderungen, die durch thermische Kontraktion, Phasenumwandlung und örtliche plastische Verformung verursacht werden. Der Übersichtsartikel im *Journal of Materials Engineering and Performance* aus dem Jahr 2022 beschreibt das Ergebnis als gekoppelte Reaktion, an der Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, die Auswahl des Abschreckmittels und die Abschreckintensität beteiligt sind ([Übersichtsartikel von 2022](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "Übersichtsartikel von 2022")). Die Zerspanung erfolgt nach dieser Vorgeschichte und nicht an einem spannungsfreien Rohling. ### Warum die Zerspanung Verzug infolge der Wärmebehandlung sichtbar machen kann Eine zerspante Oberfläche kann geometrisch korrekt aussehen, während das Bauteil weiterhin selbstausgleichende innere Spannungen enthält. Ein Bereich kann unter Druckspannung und ein anderer unter Zugspannung stehen, wobei sich die entgegengesetzten Kräfte und Momente über das gesamte Bauteil hinweg ausgleichen. Dieses Gleichgewicht kann stabil bleiben, bis ein Werkzeug einen dieser Bereiche entfernt. Dieser praktische Mechanismus wird in *Metallurgy of Heat Treatment* beschrieben: Nicht abgebauten Abschreckspannungen können während der Zerspanung Verwerfungen verursachen, weil der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen stört ([NIST-Archiv für Materialdaten](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "NIST-Archiv für Materialdaten")). Eine Platte mit Zugspannungen nahe einer Oberfläche und ausgleichenden Druckspannungen tiefer im Inneren kann sich biegen, nachdem die gespannte Oberfläche entfernt wurde. Ein Ring kann oval werden. Eine Welle kann ihre Geradheit verändern, nachdem eine exzentrische Schicht abgetragen wurde. Das Werkzeug hat die Kraftverteilung verändert, und das verbleibende Metall verformt sich, bis ein neues Gleichgewicht erreicht ist. Das Ausmaß der Bewegung hängt von mehr als nur der Spannungshöhe ab. Bauteillänge, Wanddicke, Symmetrie, örtliche Steifigkeit, Querschnittsübergänge und die Ausrichtung des Eigenspannungsfeldes spielen ebenfalls eine Rolle. Ein dicker Flansch kann eine Bewegung hemmen, die bei einem dünnen Steg deutlich erkennbar wäre. Eine Keilnut oder eine Querbohrung kann auf einer Seite Material entfernen und ein Biegemoment einleiten. Eine aufgekohlte oder nitrierte Randschicht kann ein anderes Spannungs- und Härteprofil als der Kern aufweisen, sodass das Durchtrennen der Randschicht sowohl das mechanische Gleichgewicht als auch den örtlichen Kraftfluss verändert. Auch die Vorgeschichte der Wärmebehandlung ist von Bedeutung. Der Übersichtsartikel von 2022 und der Bericht des Worcester Polytechnic Institute beschreiben den Abschreckverzug als gekoppeltes Ergebnis von Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und mikrostruktureller Entwicklung ([WPI-Bericht](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "WPI-Bericht")). Zwei nominell identische Bauteile können daher unterschiedlich reagieren, wenn sich ihre vorherige Umformung, ihr Guss, ihre Kaltverformung, ihr Gefüge, ihre Erwärmungsgeschwindigkeit oder ihre Abschreckbewegung unterschieden. Das U.S. Department of Energy berichtet, dass thermische Spannungen und Eigenspannungen in Stahlgussteilen zu Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verringerten Betriebsleistung beitragen können ([DOE-Bericht](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "DOE-Bericht")). Die Gussvorgeschichte wird durch eine spätere Zerspanung nicht ausgelöscht. ### Materialabtrag und Umverteilung der Spannungen Das Bearbeitungsaufmaß schafft Spielraum für diese Unsicherheit, ist jedoch keine Garantie gegen Verformung. Das Aufmaß muss zusammen mit dem erwarteten Spannungsprofil und der Reihenfolge betrachtet werden, in der Oberflächen freigelegt werden. Der Abtrag einer großen Materialmenge von einer Seite eines wärmebehandelten Bauteils kann Biegung oder Verdrehung freisetzen. Werden vergleichbare Mengen von gegenüberliegenden Seiten entfernt, kann dies das Nettoungleichgewicht verringern, auch wenn die Symmetrie allein keine Maßstabilität gewährleistet. Aus diesem Grund wird der stufenweise Materialabtrag üblicherweise als Konzept zur Maßkontrolle und nicht als allgemeingültiges Rezept betrachtet. Beim Schruppen kann der größte Teil des Aufmaßes entfernt werden, während genügend Material stehen bleibt, damit das Bauteil reagieren und ein späterer Arbeitsgang seine Lage korrigieren kann. Eine Zwischenprüfung kann anschließend eine Bewegung erkennen, bevor die endgültige Geometrie festgelegt wird. Wenn das Schruppen eine erhebliche Durchbiegung oder einen starken Rundlauffehler erkennen lässt, kann die unmittelbare Weiterbearbeitung auf Fertigmaß den Fehler lediglich mit geringerer verbleibender Korrekturmöglichkeit reproduzieren. Die Wahl der Bezugselemente muss der funktionalen Geometrie des Bauteils und seinem sich verändernden Spannungszustand folgen. Wird jeder Arbeitsgang von einer Oberfläche aus eingerichtet, die sich beim Schruppen bewegt hat, kann der Verzug auf spätere Merkmale übertragen werden. Umgekehrt kann ein Wechsel der Bezugselemente ohne Kontrolle ihrer Beziehung zueinander eine andere Form von Fehleranhäufung verursachen. Bei einer Welle müssen die gewählte Achse, die Lagersitze und die Stirnflächen möglicherweise durch eine Prüfung zueinander in Beziehung gesetzt werden, anstatt vorauszusetzen, dass sie ihre Lage beibehalten. Bei einer Platte muss die Bezugsfläche nach dem Schruppen und dem Spannungsabbau möglicherweise erneut bewertet werden. Die Prüfung nach dem Schruppen ist daher Bestandteil der Prozesslogik und nicht lediglich eine abschließende Qualitätskontrolle. Geradheit, Ebenheit, Rundheit, Parallelität, Rundlauf und die Lage kritischer Merkmale können sich zwischen dem Schruppen, der Spannungsarmbehandlung, dem Vorschlichten und dem Fertigbearbeiten verändern. ASM bezeichnet die „Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen“ als ein wesentliches Auslegungskriterium für die Wärmebehandlung von Stahl ([ASM, Grundprinzipien und Auslegungsrichtlinien für die Wärmebehandlung von Stahl](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM, Grundprinzipien und Auslegungsrichtlinien für die Wärmebehandlung von Stahl")); die Zerspanungspraxis kann nicht jeden ungeeigneten Zustand der Wärmebehandlung ausgleichen. Eine Spannungsarmbehandlung kann die Bewegung verringern, doch ihre Temperatur und Dauer müssen mit der Stahlsorte, der erforderlichen Härte, dem Anlasszustand und der Oberflächenbehandlung vereinbar sein. Auch ein mechanischer Spannungsabbau kann die Abmessungen verändern. Bei keinem der beiden Verfahren darf vorausgesetzt werden, dass es sämtliche Eigenspannungen beseitigt. ### Schleifspannungen und Oberflächenintegrität Volumeneigenspannung **Volumeneigenspannung** Eigenspannung, die über eine beträchtliche Tiefe oder ein beträchtliches Volumen eines Bauteils verteilt ist und nicht auf eine dünne Oberflächenschicht beschränkt bleibt. Das Schleifen stellt ein eigenständiges Problem dar, da seine Auswirkungen auf den oberflächennahen Bereich konzentriert sind. Volumenbezogene Eigenspannungen sind Spannungen, die über einen wesentlichen Teil des Querschnitts verteilt sind und bei Materialabtrag globale Biegung, Verdrehung oder Formänderung verursachen können. Durch das Schleifen verursachte Spannungen sind häufig ein flacher Oberflächeneffekt, der durch mechanische Verformung und Wärme entsteht. Beide Spannungsarten können gleichzeitig auftreten, sind jedoch nicht gleichzusetzen. Der Übersichtsartikel des *International Journal of Materials and Product Technology* führt Eigenspannungen in abgeschrecktem Stahl auf plastische Verformungen im Mikromaßstab zurück und behandelt den Einfluss der Bedingungen des Abschreckmittels, der Oberflächen- und Randschichthärtung sowie des abschließenden Schleifens ([Teil I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Teil I"); [Teil II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Teil II")). Schleifen kann durch örtliche Erwärmung mit anschließender schneller Abkühlung Zugspannungen erzeugen oder durch starkes mechanisches Reiben und plastisches Fließen Druckspannungen hervorrufen. Vorzeichen und Eindringtiefe hängen von der Spezifikation der Schleifscheibe, den Kontaktbedingungen, der Kühlschmierstoffzufuhr, dem Materialabtrag sowie von Härte und Gefüge des Stahls ab. Übermäßige Schleifwärme kann den Anlasszustand schädigen, Schleifbrand verursachen, ausgewählte Bereiche erweichen oder eine Wiederaufhärtung und unangelassenen Martensit erzeugen. Diese Veränderungen müssen nicht unmittelbar zu einem deutlichen Verzug führen, können jedoch die Ermüdungsfestigkeit verringern oder eine spätere Maßänderung verursachen. Oberflächenrisse sind besonders gefährlich, wenn eine zugbeanspruchte Eigenspannungsschicht mit einer zyklischen Betriebsbelastung zusammentrifft. Die Erörterung des abschließenden Schleifens in Teil II ist für die Maßkontrolle von zentraler Bedeutung: Der letzte Arbeitsgang entfernt nur wenig Material, bestimmt jedoch die Funktionsfläche und kann deren Spannungszustand weiterhin verändern. Das Fertigschleifen sollte daher als kontrollierte Endbearbeitungsstufe behandelt werden, an die sich eine Prüfung der Geometrie und der Oberflächenintegrität anschließt. Ein Bauteil, das vor dem Schleifen das Sollmaß erfüllt hat, befindet sich nicht zwangsläufig in seinem endgültigen Zustand. Die endgültige Oberfläche, das darunterliegende wärmebehandelte Gefüge und das Spannungsfeld müssen gemeinsam betrachtet werden. ## 11. Rissbildung, Nacharbeit und Folgen für den Betrieb Eine Wärmebehandlung kann bei einem Stahlbauteil sowohl einen Maßfehler als auch ein gespeichertes Spannungsfeld hinterlassen. Diese Erscheinungen hängen miteinander zusammen, sind jedoch nicht dasselbe. Verzug beschreibt eine Änderung der Form oder der Abmessungen; Eigenspannung beschreibt eine sich selbst ausgleichende Spannung, die nach dem Entfernen der äußeren thermischen oder mechanischen Belastung zurückbleibt. Ein Bauteil kann äußerlich gerade sein und dennoch schädliche Zugspannungen enthalten, während ein anderes Bauteil zwar verzogen ist, aber ein Eigenspannungsmuster aufweist, das nicht unmittelbar risskritisch ist. Diese Unterscheidung ist bei Stahlgussteilen von Bedeutung, da Erwärmung, Abkühlung, Erstarrungsgeschichte, Bearbeitung, Schweißen und Betriebslast den Endzustand beeinflussen. ASM International unterscheidet bei vergüteten Stählen thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Eigenspannungen als separate Einflussgrößen. Die Übersichtsarbeit von Totten und Mitautoren aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* beschreibt den Verzug ebenfalls als Ergebnis des Zusammenwirkens von Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmediums und Abschreckintensität. Keine einzelne „Abschreckspannung“ erklärt jede Versagenserscheinung. ### Wann Eigenspannung zu einer rissantreibenden Kraft wird Eigenspannung wird zu einer rissantreibenden Kraft, wenn sich Zugspannung an einem Fehler oder einem scharfkantigen geometrischen Merkmal konzentriert und die lokale Spannungsintensität oder die Energiefreisetzungsrate erhöht. Das gespeicherte Spannungsniveau muss dabei nicht über das gesamte Bauteil hinweg hoch sein. Eine Gusslunker, ein Oxidfilm, ein Lunkerhohlraum, ein nichtmetallischer Einschluss, ein Bereich mit Bindefehler, eine Bearbeitungsspur, eine Passfedernut oder ein abrupter Querschnittswechsel kann das lokale Zugspannungsfeld verstärken. Eine angreifende Zugbelastung kommt dann noch hinzu. Ein Bauteil, das die Prüfung und die Wärmebehandlung ohne Beanstandung übersteht, kann später Risse entwickeln, wenn zyklische Belastung, Schwingungen, Druck oder Temperaturwechsel die noch fehlende rissantreibende Kraft liefern. Dieselbe Wechselwirkung gilt für wasserstoffunterstützte Rissbildung. Wasserstoff kann die Kohäsionsfestigkeit herabsetzen und eine lokalisierte Plastizität fördern, während verbleibende Zugspannungen das Öffnen eines Risses oder dessen weiteres Wachstum unterstützen. Hochfeste martensitische Stähle, gehärtete Oberflächen, wärmebeeinflusste Bereiche sowie galvanisch beschichtete oder chemisch beanspruchte Bauteile reagieren daher empfindlich auf die kombinierte Situation und nicht auf Eigenspannung allein. Eine Druckeigenspannungsschicht an der Oberfläche kann die Rissöffnung verzögern; unter der Oberfläche liegende Zugspannungen, Schleifschäden oder ein bereits vorhandener Fehler können das Versagen jedoch weiterhin bestimmen. Die Temperatur verändert dieses Gleichgewicht. Bei erhöhter Betriebstemperatur können Spannungsrelaxation und Kriechen einen Teil der Eigenspannung abbauen; Unterschiede in der Wärmeausdehnung können jedoch neue Spannungen erzeugen, während Oxidation oder eine Verschlechterung des Gefüges den Querschnitt schwächen können. Bei niedriger Temperatur kann eine verringerte Zähigkeit einen Fehler gefährlicher machen, selbst wenn die Eigenspannung nicht zugenommen hat. Eine Umwandlung während des Betriebs kann außerdem Volumen und Steifigkeit verändern. Der Bericht des U.S. Department of Energy über Stahlgussteile bringt thermische und Eigenspannungen, die während der Erwärmung und des Abschreckens entstehen, mit Rissbildung, Verzug, Nacharbeit, Schweißreparatur und verringerter Betriebsleistung in Verbindung. Die praktische Schlussfolgerung lautet: Prüfung und Auslegung müssen die Kombination aus Spannung, Fehler und Betriebsbeanspruchung berücksichtigen. Eigenspannung kann auch während der Endbearbeitung gefährlich werden. *Metallurgy of Heat Treatment*, verfügbar über das Materialdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology, weist darauf hin, dass nicht abgebaute Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verwerfungen verursachen können, weil der Materialabtrag das ursprüngliche Spannungsgleichgewicht stört. Durch das Entfernen einer Seite eines Querschnitts können Zug- oder Druckspannungen ungleichmäßig freigesetzt werden. Ein Riss kann dann an einem neu freigelegten Fehler sichtbar werden; der Bearbeitungsvorgang hat das ursprüngliche Spannungsfeld jedoch nicht zwangsläufig erzeugt. ### Verzug, Schweißreparatur und Nacharbeit Verzug führt häufig zu Nacharbeit, bevor es zum Bruch kommt. Ein verzogenes Gussteil kann die Maßprüfung nicht bestehen, zu einem Gegenstück falsch ausgerichtet sein, das Bearbeitungsaufmaß überschreiten oder eine ungleichmäßige Dichtfläche erzeugen. Danach können Richten, örtliche Erwärmung, zusätzliche Bearbeitung, Kugelstrahlen, Spannungsarmglühen oder eine Schweißreparatur erforderlich werden. Jeder dieser Vorgänge verändert die thermische und mechanische Vorgeschichte erneut. Eine Schweißreparatur ist keine neutrale Korrektur. Beim Schweißen wirkt eine kleine, intensive Wärmequelle neben vergleichsweise kaltem Stahl. Dadurch entstehen ein neuer Temperaturgradient, eine Wärmeeinflusszone, eine Kontraktion beim Abkühlen und möglicherweise harte, spröde Gefüge. Wenn das Gussteil bereits Abschreckspannungen enthält, kann die Reparaturschweißung Zugspannungen in einem Bereich überlagern, der Porosität, Einschlüsse, Lunkerfehler oder bereits vorhandene Risse enthält. Daher sind die Wasserstoffkontrolle, das Vorwärmen, die Zwischenlagentemperatur, die Auswahl des Zusatzwerkstoffs, die Wärmenachbehandlung und die Prüfung ebenso wichtig wie das sichtbare Erscheinungsbild der Schweißnaht. Die Ergebnisse des Department of Energy sowie die Arbeiten der University of Iowa zu Stahlgussteilen sind von Bedeutung, weil sie die endgültige Maßgenauigkeit mit der Gießereivorgeschichte verknüpfen. Erstarrungsfolge, örtliche Wanddicke, Speisertechnik, Behinderungen der Abkühlung, vorangegangene Temperaturzyklen und die anschließende Wärmebehandlung beeinflussen sowohl das anfängliche Spannungsfeld als auch die Reaktion auf spätere Prozessschritte. Eine Vorhersage, die ausschließlich auf dem abschließenden Abschrecken beruht, kann aus dem Gießen übernommene Spannungen nicht berücksichtigen. Der Bericht der University of Iowa betont ausdrücklich, dass die Gießereivorgeschichte bei der Vorhersage der endgültigen Abmessungen und Eigenspannungen einbezogen werden muss. Die Nacharbeit kann ein zweites Problem sichtbar machen: Ein Bauteil kann innerhalb der Zeichnungstoleranz liegen und dennoch einen ungünstigen Spannungszustand aufweisen. Starkes Schleifen kann eine druckbeaufschlagte Oberflächenschicht abtragen und darunterliegendes Zugspannungsmaterial freilegen. Wiederholtes örtliches Richten kann plastische Verformung verursachen und die Ermüdungsreserve verringern. Umgekehrt kann ein kontrolliertes Spannungsarmglühen das Verzugsrisiko reduzieren; eine übermäßige oder schlecht kontrollierte Erwärmung kann jedoch Härte, Anlasszustand, Aufkohlungstiefe, nitrierte Schichten oder die Maßpassung verändern. ASM behandelt daher in *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als zentrale Auslegungskriterien und nicht als Prüfprobleme, die erst am Ende zu korrigieren sind. ### Maßänderung im Betrieb Ein Bauteil muss nicht reißen, um seine Funktion zu verlieren. Maßinstabilität kann die Vorspannung von Lagern, das Zahnflankenspiel, die Wellenausrichtung, das Ventilspiel, die Dichtungspressung oder den Kontaktdruck verändern. In einer Präzisionsbaugruppe kann bereits eine geringfügige Bewegung zu Reibkontakt, Leckage, ungleichmäßiger Lastverteilung oder beschleunigtem Verschleiß führen. Das Bauteil bleibt strukturell intakt, doch seine Betriebsleistung nimmt ab. Mehrere Mechanismen können diese Bewegung verursachen. Eigenspannung kann sich im Betrieb abbauen, wodurch eine elastische Rückverformung oder eine plastische Umverteilung ermöglicht wird. Restaustenit kann sich in Martensit umwandeln und dadurch eine Ausdehnung verursachen; beim Anlassen können sich das martensitische Volumen und die Härte verringern; und Temperaturwechsel können die Unterschiede zwischen Randzone und Kern wiederholt wirksam werden lassen. Aufgekohlte, nitrierte, induktiv gehärtete und durchgehärtete Bereiche reagieren nicht identisch, da sie sich hinsichtlich ihrer Gradienten von Zusammensetzung, Härte, Umwandlungstemperatur und Eigenspannung unterscheiden. Auch das abschließende Schleifen kann nach der Wärmebehandlung eine Rolle spielen. Die Untersuchungen im *International Journal of Materials and Product Technology* identifizieren ungleichmäßige Abschreckgradienten als eine wesentliche Ursache von Verzug und bringen Eigenspannungen mit mikroskaliger plastischer Verformung, Bedingungen des Abschreckmediums, Oberflächen- und Einsatzhärtung sowie dem abschließenden Schleifen in Verbindung. Der Bericht des Worcester Polytechnic Institute stellt dasselbe Problem als gekoppelte Wechselwirkung von Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeänderung dar. Die Betriebsqualifizierung muss daher neben der Rissinitiierung auch die Maßdrift berücksichtigen. Ein bei der Auslieferung gerades und rissfreies Bauteil ist nicht zwangsläufig ein im Betrieb maßstabiles Bauteil. ## 12. Messung von Verzug und Eigenspannungen Die Prüfung nach der Wärmebehandlung sollte zwei unterschiedliche Aufzeichnungen miteinander verbinden: eine Maßkarte, die zeigt, wie sich das Bauteil verformt hat, und eine Spannungscharakterisierung, die erfasst, welches elastische oder plastische Ungleichgewicht im Inneren verbleibt. Verzug ist eine Änderung der Form oder Größe. Eigenspannung ist ein sich selbst ausgleichendes Spannungsfeld, das bestehen bleibt, nachdem äußere Belastungen und Temperaturgradienten verschwunden sind. Beide Phänomene sind gekoppelt, aber nicht austauschbar. Ein Bauteil kann eine Maßtoleranz einhalten und dennoch Zugspannungen enthalten, die später Rissbildung, Bearbeitungsbewegungen oder Ermüdungsschäden verursachen. Umgekehrt kann ein sichtbar verzogenes Bauteil eine erhebliche Umwandlungsdehnung erfahren haben, selbst nachdem sich ein großer Teil seiner Eigenspannungen abgebaut hat. ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und durch das Härten verursachte Eigenspannungen als eigenständige Einflussgrößen in abgeschreckten und angelassenen Stählen. Die Übersichtsarbeit *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* aus dem Jahr 2022 von den Autoren im *Journal of Materials Engineering and Performance* beschreibt das Ergebnis als ein Zusammenspiel von Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität (doi:10.1007/s11665-022-06667-x). Die Messung muss daher genügend Informationen über das Bauteil und seine thermische Vorgeschichte bewahren, um einen lokalen Maßfehler von einer prozessweiten Reaktion unterscheiden zu können. ![Koordinatenmessgerät bei der Prüfung einer wärmebehandelten Stahlwelle](/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 "Bild vergrößern — Koordinatenmessgerät bei der Prüfung einer wärmebehandelten Stahlwelle")Dimensional inspection records the visible result of the heat-treatment history. ### Maßprüfung und Auswahl von Bezugselementen #### Prüffolge 1. **Ausgangszustand** Messen und dokumentieren Sie das unbehandelte Bauteil, die Orientierung, den Werkstoffzustand und die Bezugselemente. 2. **Messung nach der Behandlung** Vergleichen Sie die Maße nach dem Abschrecken und Anlassen unter Verwendung derselben Bezugsstrategie. 3. **Messung während der Bearbeitung** Prüfen Sie nach dem Schruppen und nach bedeutender Materialabtragung, um die Freisetzung von Spannungen zu erkennen. 4. **Charakterisierung der Spannungen** Verwenden Sie ein Verfahren, dessen Messtiefe und Richtung zum vermuteten Spannungsgradienten passen. Eine aussagekräftige Maßprüfung beginnt vor dem Erwärmen. Das unbehandelte Bauteil sollte vermessen, markiert und fotografiert werden; dabei sind sein Werkstoffzustand und seine Ausrichtung zu dokumentieren. Eine zweckmäßige Aufzeichnung umfasst die Stahlbezeichnung, die Los- oder Schmelzennummer, den vorausgegangenen Bearbeitungszustand, die Oberflächenbehandlung, die Ausrichtung in der Vorrichtung, den Ofenzyklus, die Transferzeit, die Temperatur und Bewegung des Abschreckmittels, den Anlasszyklus sowie die Zeit zwischen der Behandlung und der Prüfung. Das Werkstoffdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology warnt in *Metallurgy of Heat Treatment* davor, dass nicht abgebaute Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verzug verursachen können, weil der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen verändert. Eine Aufzeichnung des Zustands „vorher“ ist daher unverzichtbar, wenn nach dem Abschrecken das Fertigschleifen oder eine Schruppbearbeitung erfolgt. Die Auswahl der Bezugselemente bestimmt die Bedeutung aller späteren Ergebnisse. Bezugselemente sollten mit Funktionsflächen oder stabilen geometrischen Merkmalen verknüpft sein und nicht einfach mit der am bequemsten zugänglichen Kante. Eine große Fläche kann sich beim Abschrecken selbst durchbiegen; wird sie als perfekte Ebene verwendet, kann diese Durchbiegung verborgen werden, weil das Koordinatensystem gezwungen wird, dem Fehler zu folgen. Bei einer Welle können die Rotationsachse vor der Behandlung, die Lagersitze und eine festgelegte Stirnfläche das Bezugssystem definieren. Bei einer Platte können eine kontrollierte Ebene und zwei orthogonale Kanten geeignet sein, sofern nicht zu erwarten ist, dass sich diese Merkmale ungleichmäßig umwandeln. Vorrichtungen sollten das Bauteil nur so weit spannen, wie es für seine Positionierung erforderlich ist. Übermäßiges Spannen während der Messung kann ein verzogenes Bauteil abflachen und anstelle der Geometrie im freien Zustand den Zustand in der Vorrichtung erfassen. Koordinatenmessgeräte können die Lage von Bohrungen, Profilabweichung, Parallelität, Rechtwinkligkeit, Ebenheit und Änderungen der Achsposition erfassen. Eine Punktwolke ist aussagekräftiger als wenige Maximalwerte, weil sie erkennen lässt, ob es sich beim Verzug um eine globale Biegung, ein lokales Anheben der Kante, Ovalität, Verdrehung oder eine auf einen Übergang von einem dicken zu einem dünnen Bereich konzentrierte Änderung handelt. Vor und nach der Behandlung sollten dasselbe Koordinatensystem und dieselbe Tasterstrategie verwendet werden. Die Temperaturkompensation ist von Bedeutung: Ein bei unterschiedlichen Temperaturen vermessenes Stahlbauteil kann allein aufgrund der Wärmeausdehnung eine scheinbare Maßänderung zeigen. Bei runden Bauteilen müssen Rundheit und Zylindrizität an mehreren axialen Messstellen geprüft werden. Die Messung nur eines Durchmessers kann Keulen- oder Mehrlappigkeit sowie eine gekrümmte Achse übersehen. Die Geradheit sollte entlang mehrerer Mantellinien und, sofern relevant, entlang der neutralen oder funktionalen Achse geprüft werden. Ein Ring kann seinen mittleren Durchmesser beibehalten und dennoch oval werden; ein Zahnrad kann den Abstand von Zahn zu Zahn bei einem Radius beibehalten, während an seinem Umfang ein Rundlauffehler entsteht. Für komplexe Bauteile ist ein Vergleich auf Grundlage von Querschnitten zweckmäßig: Vergleichen Sie Querprofile durch dünne Wände, Naben, Rippen, Ausrundungen und massive Bereiche und anschließend entsprechende Querschnitte vor und nach der Behandlung. Das Muster weist häufig auf einen Temperaturgradienten oder eine Umwandlungsdifferenz hin. Bei der Prüfung sollte zwischen dem Verzug im freien Zustand und dem durch Freisetzen, Schneiden oder Spannen verursachten Verzug unterschieden werden. Wird ein Bauteil für die Metallografie oder die Spannungsmessung zerteilt, sollten seine Maße vor dem Schnitt und nach jedem Freisetzungsschritt erfasst werden. Auch die Gießvorgeschichte kann von Bedeutung sein. Berichte des U.S. Department of Energy und der University of Iowa bringen Erwärmungs- und Abschreckspannungen in Stahlgussbauteilen mit Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Verbindung; die Arbeiten aus Iowa berücksichtigen bei der Vorhersage der Endmaße und Spannungen ausdrücklich auch die Gießvorgeschichte. ### Verfahren zur Messung von Eigenspannungen Verfahren zur Bestimmung von Eigenspannungen erfassen unterschiedliche Bereiche des Spannungsfelds. | Verfahren | Messtiefe oder erfasster Bereich | Hauptbeschränkung | |---|---|---| | Röntgenbeugung | Gitterdehnung nahe der Oberfläche | Beschreibt für sich genommen nicht das Spannungsfeld im Kern | | Bohrlochmethode | Inkrementelles Profil in geringer Tiefe | Semidestruktiv und modellabhängig | | Konturmessung oder Auftrennen | Spannungsfreisetzung durch einen Schnitt | Destruktiv und empfindlich gegenüber Schneideffekten | | Neutronenbeugung | Größere Eindringtiefe ins Innere | Erfordert spezialisierten Zugang und Referenzgitterdaten | Die Röntgenbeugung (XRD) misst die gitternahe Oberflächendehnung, indem Verschiebungen von Beugungspeaks beobachtet werden. Mit geeigneten elastischen Konstanten und einer geeigneten Beugungsebene werden diese Dehnungen in Spannungen umgerechnet. Das Verfahren ist im Allgemeinen oberflächenempfindlich. Daher ist es für aufgekohlte Schichten, geschliffene Oberflächen und abgeschreckte Randschichten wertvoll, kann jedoch allein das Spannungsfeld im Zentrum eines dicken Querschnitts nicht beschreiben. Oberflächenrauheit, kristallografische Textur, Restaustenit, Entkohlung und die ausgewählte Strahlung können das Ergebnis beeinflussen. Die Messungen sollten an Stellen vorgenommen werden, die anhand der Maßkarte ausgewählt wurden: an der konvexen und konkaven Seite einer Biegung, in der Nähe von Ausrundungen, in dünnen und dicken Bereichen sowie entlang beider Hauptspannungsrichtungen. Das Bohrlochverfahren ist ein halbzerstörendes Verfahren. Dabei wird schrittweise ein kleines Loch eingebracht, während Dehnungsmessstreifen oder optische Verfahren die lokale elastische Entspannung erfassen. Eine inverse Berechnung schätzt die ursprüngliche Spannung als Funktion der Tiefe. Das Verfahren erfasst größere Tiefen als die gewöhnliche XRD, bleibt jedoch ein oberflächennahes Verfahren. Die Berechnung setzt eine definierte Geometrie, ein elastisches Verhalten und eine hinreichend bekannte Spannungsverteilung voraus. Ein Bohrloch in der Nähe einer Kante, einer Ausrundung, einer Schweißreparatur oder eines steilen Härtegradienten kann diese Voraussetzungen verletzen. Das Bohrloch unterbricht außerdem das Bauteil selbst; daher muss seine Lage so gewählt werden, dass die dadurch entstehende Beschädigung vertretbar ist. Konturmessung, Zerteilen und verwandte zerstörende Verfahren machen Spannungen sichtbar, indem sie einem zuvor behinderten Körper die Entspannung ermöglichen. Bei Konturverfahren wird ein Bauteil entlang einer Ebene geschnitten, die neu freigelegte Oberfläche vermessen und anhand eines elastischen Modells die Normalspannung rekonstruiert, die die Verschiebung verursacht hat. Das Zerteilen kann Biege- und Öffnungsbewegungen unmittelbar sichtbar machen. Der Schnitt setzt jedoch ein dreidimensionales Spannungsfeld frei und kann Korrekturen für Schnittverzug, Plastizität und Messrauschen erfordern. Diese Verfahren sind für dicke Querschnitte und Schweißnähte leistungsfähig, ermöglichen jedoch keine zerstörungsfreie Produktionsprüfung. Die Neutronenbeugung kann Gitterdehnungen in wesentlich größeren Tiefen als die XRD messen, da Neutronen viele Stähle tiefer durchdringen. Sie kann innere Spannungen über einen Querschnitt hinweg abbilden, ohne das Bauteil zu zerschneiden, sofern Zugang, Messvolumen, Textur, Phase und Referenzgitter ausreichend berücksichtigt werden können. Sie ist besonders nützlich, wenn Oberflächenmessungen und das Verhalten bei der Bearbeitung auf einen verborgenen Spannungsgradienten hindeuten. Von Ergebnissen der Neutronenbeugung, der XRD und des Bohrlochverfahrens sollte nicht erwartet werden, dass sie an derselben nominalen Stelle übereinstimmen, sofern ihre erfassten Volumina und Tiefen nicht vergleichbar sind. ### Trennung von Prozessfehlern und Messfehlern Eine Abweichung zwischen zwei Prüfungen beweist nicht automatisch, dass sich der Wärmebehandlungsprozess verändert hat. Die Messunsicherheit muss getrennt von der Prozessstreuung geschätzt werden. Wiederholen Sie dieselbe Messung, ohne das Bauteil zu bewegen, nehmen Sie es anschließend heraus, spannen Sie es erneut ein und wiederholen Sie die Messung. Die Differenz trennt die Wiederholbarkeit des Messgeräts von den Effekten einer erneuten Bezugselementzuordnung sowie von Bediener- und Vorrichtungseinflüssen. Kalibrierte Prüfkörper, rückführbare Temperaturmessung, die Qualifizierung des Tasters und ein dokumentierter Ausrichtablauf zeigen, ob das Koordinatensystem stabil ist. Der Oberflächenzustand ist eine häufige Quelle von Fehlinterpretationen. Zunder, Oxid, entkohltes Material, Schleifbrand, kugelgestrahlte Schichten und Rauheit können sowohl die taktile Maßprüfung als auch die Beugung beeinflussen. Messen Sie vor und nach der Reinigung nach einem festgelegten Verfahren und dokumentieren Sie jeden Materialabtrag. Wenn nach dem Abschrecken geschliffen wird, prüfen Sie die Oberfläche vor dem Schleifen und nach jedem wesentlichen Bearbeitungsschritt. Eine Änderung des Rundlaufs nach dem Materialabtrag kann auf freigesetzte Eigenspannungen und nicht auf einen neuen Abschreckfehler zurückzuführen sein; eine Änderung der XRD-Spannung kann dagegen die Entfernung einer angespannten Randschicht widerspiegeln. Die Symmetrie liefert ein wichtiges diagnostisches Kriterium. Entsprechende Punkte auf gegenüberliegenden Seiten eines nominell symmetrischen Bauteils sollten verglichen, jedoch nicht unkritisch gemittelt werden. Ein symmetrischer Prozess sollte ein symmetrisches Ergebnis hervorbringen; eine anhaltende einseitige Abweichung kann auf eine ungleichmäßige Strömung des Abschreckmittels, einen Kontakt mit der Vorrichtung, eine ungleichmäßige Ofenbeladung oder einen bereits vorhandenen Bearbeitungsfehler hindeuten. Spannungsgradienten machen Einzelpunktmessungen ebenfalls unzuverlässig. Erfassen Sie mehrere Tiefen, Orientierungen und geometrische Zonen und vergleichen Sie anschließend das Muster mit Härte, Mikrostruktur, Restaustenitgehalt und dem aufgezeichneten Wärmebehandlungszyklus. Das Worcester Polytechnic Institute beschreibt den Abschreckverzug als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und mikrostrukturelle Entwicklung umfasst. Das Prüfsystem muss diese Effekte ebenso konsequent von Fehlern trennen, die durch die Messung selbst eingeführt werden. ## 13. Modellierung und Simulation von Verzügen bei der Wärmebehandlung Die Simulation der Wärmebehandlung ist kein Abschreckgeschwindigkeitsrechner, dem nachträglich eine Verzugskorrektur hinzugefügt wird. Ein belastbares Modell sagt die gekoppelte Entwicklung von Temperatur, Phasenanteilen, Dehnung, Spannung und Geometrie voraus, während der Stahl erwärmt, gehalten, abgeschreckt, angelassen und manchmal bearbeitet wird. Verzug ist die Veränderung der Form oder Abmessungen; Eigenspannung ist die innere Spannung, die verbleibt, nachdem äußere Lasten und Temperaturgradienten verschwunden sind. Es handelt sich um unterschiedliche Ergebnisse derselben Prozesshistorie. Ein Bauteil kann erhebliche Eigenspannungen bei nur geringem sichtbarem Verzug aufweisen oder sich deutlich verziehen, nachdem die Spannungen durch die Bearbeitung freigesetzt wurden. ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Eigenspannungen als voneinander verschiedene Beiträge in abgeschreckten und angelassenen Stählen. Thermische Spannungen entstehen durch behinderte Ausdehnung und Kontraktion. Umwandlungsspannungen entwickeln sich, wenn sich Bereiche bei unterschiedlichen Temperaturen umwandeln und ihr Volumen zu unterschiedlichen Zeitpunkten ändern. Härtungsspannungen stehen mit der mechanischen Reaktion des sich entwickelnden Gefüges in Zusammenhang, einschließlich Änderungen der Streckgrenze und des plastischen Fließens. Eine Simulation, die einen dieser Mechanismen auslässt, kann zwar weiterhin eine glatte Temperaturkurve erzeugen, doch ihre vorhergesagten Abmessungen können falsch sein. ### Thermische, metallurgische und mechanische Kopplung Das Temperaturfeld ist der Ausgangspunkt, nicht die vollständige Antwort. Der Solver muss die Wärmeleitung durch den Stahl, Strahlung und Konvektion an den freiliegenden Oberflächen, Kontaktleitung an Vorrichtungen sowie die Wärmeabfuhr in das Abschreckmedium berechnen. Der Wärmeübergang an der Oberfläche wird üblicherweise durch eine temperaturabhängige Randbedingung oder einen Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben. Dieser Koeffizient verändert sich während des Filmverdampfens, des Siedens mit Blasenbildung, des Übergangssiedens sowie der Flüssigkeits- oder Dampfkonvektion. Er variiert außerdem mit der Umwälzung, der Bauteilorientierung, der Temperatur des Abschreckmediums, der Fluidchemie und dem lokalen Oberflächenzustand. Der Übersichtsartikel aus dem Jahr 2022 „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels“ im *Journal of Materials Engineering and Performance* betont, dass Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmediums und Abschreckintensität miteinander wechselwirken. Eine gleichmäßige Badtemperatur erzeugt keine gleichmäßige Abkühlhistorie, wenn eine Seite abgeschirmt ist, eine Bohrung Dampf einschließt oder eine dicke Nabe langsamer abkühlt als ein dünner Rand. Die Artikel der *International Journal of Materials and Product Technology* in den Teilen I und II identifizieren ebenfalls nichtgleichmäßige thermische Gradienten als eine Hauptursache des Abschreckverzugs und stellen einen Zusammenhang zwischen Eigenspannungen und den Bedingungen des Abschreckmediums, der Oberflächen- und Einsatzhärtung sowie dem abschließenden Schleifen her. Das metallurgische Modell wandelt Temperatur und Zusammensetzung in eine Phasenentwicklung um. Austenit kann abhängig vom lokalen Abkühlverlauf und der Härtbarkeit in Ferrit, Perlit, Bainit, Martensit oder Restaustenit umwandeln. Jede Umwandlung kann eine Umwandlungsdehnung erzeugen, einschließlich eines volumetrischen Anteils und in manchen Modellen eines orientierungsabhängigen Anteils. Das Stoffmodell kombiniert anschließend thermische Dehnung, Umwandlungsdehnung, elastische Dehnung und plastische Dehnung: \\\[ \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{total} = \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{elastic} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{plastic} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{thermal} + \\boldsymbol{\\varepsilon}\_{transformation}. \\\] Diese Zerlegung ist ein Modellierungsrahmen und keine Aussage darüber, dass die Dehnungen unabhängig voneinander auftreten. Sie wechselwirken über den Spannungszustand und die temperaturabhängige Streckgrenze. Ein martensitischer Bereich kann sich bilden, während der umgebende Austenit noch heiß und nachgiebig ist; eine spätere Abkühlung kann das lokale Spannungsmuster umkehren. Umwandlungsbedingte Plastizität kann ebenfalls auftreten, wenn die Spannung die Umwandlung unterstützt oder die Umwandlungsdehnung das plastische Fließen fördert. Die mechanische Kopplung muss daher den temperatur- und phasenabhängigen Elastizitätsmodul, die Streckspannung, das Verfestigungsverhalten, die Poissonzahl, die Umwandlungsdehnung und, falls erforderlich, das Kriech- oder viskoplastische Verhalten umfassen. Zwangsbedingungen durch Vorrichtungen, Pressmatrizen, Kerne oder benachbarte Bereiche müssen ausdrücklich abgebildet werden. Ein freier Stab, ein eingespannter Ring und ein auf einer Vorrichtung abgestütztes Zahnrad weisen selbst bei gleichem Stahl und gleichem Abschreckbad nicht denselben vorhergesagten Verzug auf. ### Werkstoffdaten und Umwandlungskinetik Die Werkstoffdaten bestimmen, ob die Simulation eine bestimmte Sorte beschreibt oder lediglich einen allgemeinen Stahl. Zu den erforderlichen Eingaben gehören üblicherweise die chemische Zusammensetzung, die Dichte, die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärmekapazität, der Emissionsgrad, die Phasenumwandlungstemperaturen, die latente Wärme, die Phasenanteile, die Umwandlungskinetik, die Umwandlungsdehnungen und die mechanischen Eigenschaften jeder relevanten Phase. Härtbarkeitsdaten, beispielsweise ein Jominy-Profil oder ein kalibriertes Verhalten bei kontinuierlicher Abkühlung, können dabei helfen festzustellen, ob in einem Querschnitt Martensit oder ein Gemisch aus Bainit und Perlit entsteht. Die Kinetik muss zum Temperaturzyklus passen. Isotherme Umwandlungsdaten allein können ein kontinuierlich abgekühltes Schmiedestück oder Gussteil möglicherweise nicht vorhersagen. Modelle auf Grundlage von Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern, Zeit-Temperatur-Umwandlungsschaubildern bei kontinuierlicher Abkühlung, Martensitbeziehungen vom Koistinen-Marburger-Typ oder kalibrierten Phasenfeld- und Finite-Elemente-Routinen beruhen jeweils auf Annahmen über Keimbildung, Inkubation, Zusammensetzung und die Struktur des vorherigen Austenitkorns. Kohlenstoffgradienten durch Aufkohlen, Stickstoffgradienten durch Nitrieren und Seigerungen aus dem Gießprozess erfordern räumlich veränderliche Eingaben anstelle einer einzigen Zusammensetzung, die jedem Element zugewiesen wird. Das Werkstoffdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology bietet eine nützliche Quelle für Hintergrundinformationen zur Wärmebehandlung; dennoch müssen die Archivdaten mit der tatsächlichen Sorte, der Querschnittsgröße, dem Oberflächenzustand und der Anlage abgeglichen werden. Veröffentlichte Werte können mit unterschiedlichen Probengeometrien oder Abkühlgeschwindigkeiten gemessen worden sein. Ein für eine Ölabschreckung kalibriertes Modell sollte nicht ungeprüft auf Polymerlösung, Wasser, Gas oder eine unterbrochene Abschreckung übertragen werden. Die Randbedingung der Abschreckung ist Teil des Werkstoff-Prozess-Datensatzes. Bei der Kalibrierung sollten vorhergesagte Temperaturen, Phasenanteile, Härte, Abmessungen und Spannungen mit Messungen aus dem festgelegten Prozess verglichen werden. Thermoelemente, Infrarotmessungen, soweit praktisch möglich, Dilatometrie, Härteverläufe, metallografische Phasenzählungen, Scans mit Koordinatenmessgeräten sowie Röntgen- oder Neutronenbeugung können unterschiedliche Bereiche des Modells überprüfen. Die Kalibrierung des Verzugs sollte mehrere Merkmale umfassen: Bohrungsdurchmesser, Ebenheit der Stirnflächen, Rundlauf, Länge und Winkeländerung. Die Übereinstimmung bei nur einem Endmaß kann kompensierende Fehler beim Wärmeübergang und bei der Umwandlungsdehnung verdecken. Die Netzempfindlichkeit ist von Bedeutung, weil dünne Wände, scharfe Übergangsradien, Keilnuten, Bohrungen, Übergänge der Einsatzhärtungstiefe und Kontaktbereiche steile Gradienten erzeugen. Eine Verfeinerung des Netzes, bis sich das vorhergesagte Endmaß nur noch geringfügig ändert, ist aussagekräftiger, als einmal ein optisch feines Netz auszuwählen. Randannahmen verdienen die gleiche Prüfung. Perfekt symmetrische Abkühlung, vollkommen starre Vorrichtungen, konstante Wärmeübergangskoeffizienten und reibungsfreie Auflagen können ein geordnetes Ergebnis erzeugen, das der Ofen niemals hervorbringt. Sensitivitätsstudien sollten Netzdichte, Oberflächenkoeffizienten, Steifigkeit der Vorrichtung, Reibung, Anfangstemperatur und Parameter der Phasenumwandlungskinetik variieren, um festzustellen, welche Unsicherheiten das Ergebnis bestimmen. ### Gießhistorie und Vorhersage der Endabmessungen Die Gießgeschichte und die vorherige Verarbeitung können die vorhergesagten Endmaße und Eigenspannungen wesentlich beeinflussen. Limited evidence Bei Stahlgussteilen ist der Anfangszustand bereits das Ergebnis einer thermischen und mechanischen Historie. Die Erstarrung erzeugt Seigerungen, eine Dendritenstruktur, Porosität, Eigenspannungen und ein nichtgleichmäßiges Korngefüge. Die Abkühlung nach dem Ausleeren, das Abtrennen von Speisern, die Schruppbearbeitung, die Schweißreparatur und das Spannungsarmglühen können das Spannungsfeld verändern, bevor die Härtung beginnt. Das U.S. Department of Energy berichtet, dass thermische Spannungen und Eigenspannungen in Stahlgussteilen zu Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung beitragen können. Ein Modell, das mit einem spannungsfreien, hinsichtlich der Zusammensetzung gleichförmigen Block bei Raumtemperatur beginnt, hat die Informationen verworfen, die einen großen Teil der späteren Reaktion bestimmen. Der Bericht der University of Iowa weist bei der Vorhersage ebenfalls auf denselben Sachverhalt hin: Die Gießhistorie muss bei der Schätzung der Endabmessungen und Eigenspannungen berücksichtigt werden. Dies kann einen sequenziellen Arbeitsablauf erfordern. Eine Gusssimulation sagt zunächst Erstarrung, Abkühlung, Schwindung und Eigenspannungen voraus; die daraus resultierenden Temperatur-, Phasen-, Zusammensetzungs- und Spannungsfelder werden anschließend zum Ausgangszustand für das Austenitisieren und Abschrecken. Danach kann die Schruppbearbeitung durch das Entfernen von Elementen oder die Änderung von Zwangsbedingungen modelliert werden, gefolgt von einer weiteren Gleichgewichtsberechnung. Diese Abfolge erfasst die Spannungsumlagerung, die ein einzelner Wärmebehandlungsschritt nicht abbilden kann. Die letztlich vorhergesagte Geometrie ist folglich prozessspezifisch. Sie hängt von der Ofenbeschickung, der Austenitisierungszeit, der Verzögerung beim Umsetzen, der Bewegung des Abschreckmediums, dem Kontakt mit der Vorrichtung, dem Anlassen, der Abkühlung zwischen den Arbeitsgängen und der Werkstoffhistorie ab. Die Simulation erzeugt keinen abstrakten Verzugwert, der unabhängig von diesen Bedingungen zu „Stahl“ gehört. Sie sagt die Reaktion einer festgelegten Geometrie, Sorte, Ausgangszustands, Anlageneinrichtung und Prozessplanung voraus. Diese Unterscheidung erklärt auch, weshalb die Simulation Prozessversuche unterstützen und nicht Messungen ersetzen sollte. Der Bericht des Worcester Polytechnic Institute beschreibt den Abschreckverzug als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeänderung umfasst. Ein Modell ist belastbar, wenn es das gemessene Verhalten bei mehr als einem Bauteil oder unter mehr als einer Bedingung reproduziert, die maßgeblichen Sensitivitäten aufzeigt und angibt, wo Eigenspannungen während der Bearbeitung freigesetzt werden. Die Richtlinien von ASM zur Auslegung von Wärmebehandlungen behandeln die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen daher als primäre Auslegungskriterien und nicht als nachträgliche Prozesskorrekturen. ## 14. Prozess- und Konstruktionsstrategien zur Kontrolle von Verzügen Die Kontrolle von Verzügen sollte sich auf die Verringerung inkompatibler Dehnungen konzentrieren und nicht auf das Versprechen einer dimensionalen Veränderung von null. Während des Erwärmens und Abschreckens dehnen sich verschiedene Bereiche eines Bauteils zu unterschiedlichen Zeitpunkten aus, ziehen sich zusammen, wandeln sich um und plastifizieren. ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und durch das Härten verursachte Eigenspannungen als separate Beiträge, obwohl sie sich im tatsächlichen Bauteil gemeinsam entwickeln. Der Übersichtsartikel aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* beschreibt den Abschreckverzug ebenfalls als Wechselwirkung zwischen Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität. Ein solider Prozess begrenzt daher die Unterschiede zwischen benachbarten Bereichen. Er wählt nicht lediglich ein schneller wirkendes Abschreckmittel aus und sieht auch nicht einfach ein größeres Bearbeitungsaufmaß vor. ### Auslegung für gleichmäßiges Erwärmen und Abkühlen Die Geometrie ist die erste Prozessvariable. Dicke Naben, die mit dünnen Stegen verbunden sind, abrupte Absätze, scharfe Keilnuten, Sacklöcher und unterschiedlich dicke Wandbereiche erzeugen unterschiedliche Erwärmungs- und Abkühlgeschwindigkeiten. Sie führen außerdem zu lokalen Zwangsbedingungen: Ein Bereich versucht, sich zusammenzuziehen, während ein anderer heiß und ausgedehnt bleibt. Die daraus entstehende Spannung kann bereits vor der Bildung von Martensit eine plastische Verformung verursachen oder später freigesetzt werden, wenn sich die Eigenspannungen umverteilen. Eine Vereinfachung der Form verringert diese Inkompatibilitäten. Verwenden Sie, soweit es die funktionale Auslegung zulässt, allmähliche Querschnittsübergänge, großzügige Hohlkehlen und möglichst gleichmäßige Wanddicken. Vermeiden Sie abrupte Querschnittsänderungen in der Nähe von Lagersitzen, Zahnflanken oder Anlageflächen. Ein Übergang, der in der Zeichnung unbedeutend erscheint, kann während des Abschreckens eine große Wirkung haben, weil der dünnere Bereich möglicherweise die Martensitstarttemperatur erreicht, während sich der dickere Bereich noch thermisch zusammenzieht. Das *International Journal of Materials and Product Technology* bezeichnet ungleichmäßige thermische Gradienten während des Abschreckens als eine wesentliche Ursache des Abschreckverzugs. Auch die Erwärmung innerhalb der gesamten Charge muss gleichmäßig sein. Die Bauteile sollten so angeordnet werden, dass die Ofenatmosphäre um sie herum zirkulieren kann, anstatt sie dicht aneinanderliegend zu packen. Schwere Körbe, gestapelte Bauteile und abgeschirmte Oberflächen können die Erwärmung lokal verzögern. Vorwärmen ist sinnvoll, wenn sich andernfalls ein großer Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern entwickeln würde, insbesondere bei dicken, komplexen oder hochlegierten Bauteilen. Ein stufenweiser Zyklus kann den Thermoschock verringern, doch das Vorwärmen macht eine Kontrolle der Austenitisierungstemperatur und der Haltezeit nicht überflüssig. Eine zu lange Behandlung kann die Austenitkörner vergrößern, die Oxidation oder Entkohlung verstärken und das endgültige Umwandlungsverhalten verändern. Die Gleichmäßigkeit der Abkühlung ist ebenso wichtig wie die Gleichmäßigkeit im Ofen. Ein Abschreckmittel sollte alle relevanten Oberflächen mit einer ähnlichen Geschwindigkeit erreichen; Temperatur, Bewegung und Reinheit müssen kontrolliert werden. Dampfmäntel, stagnierende Bereiche, blockierte Durchgänge und ungleichmäßige Sprühmuster erzeugen lokal unterschiedliche Abkühlungsverläufe. Das Ergebnis kann eine harte martensitische Oberfläche neben einem Bereich mit Bainit, Perlit oder Restaustenit sein, begleitet von unterschiedlichen Volumenänderungen und unterschiedlichen Eigenspannungszuständen. Die Bewegung des Abschreckmittels sollte den Dampf entfernen und eine reproduzierbare Wärmeübertragung gewährleisten, ohne ein dünnes Element durch Fluid- oder Handhabungskräfte zum Verbiegen zu zwingen. Die Bearbeitungsaufmaße sollten dieses Verhalten berücksichtigen. Kritische Bezugsflächen können mit ausreichend Material für die Fertigbearbeitung nach dem Abschrecken und Anlassen versehen werden. Unnötiges Aufmaß sollte jedoch nicht wahllos hinzugefügt werden, da es die Wärmekapazität erhöht und die Unterschiede zwischen den Querschnitten vergrößern kann. Auch der abschließende Schleifvorgang verdient Aufmerksamkeit: Die IJMPT-Studie zu abgeschrecktem Stahl bringt Eigenspannungen mit den Bedingungen des Abschreckmittels, der Oberflächen- und Einsatzhärtung sowie dem abschließenden Schleifen in Verbindung. ### Auswahl der Härtbarkeit und der Abschreckbedingungen Die Stahlchemie bestimmt, wie schnell ein Querschnitt abgekühlt werden muss, um Diffusionsprodukte zu vermeiden und das erforderliche Gefüge zu erzielen. Maßgebend sollte die Härtbarkeit sein, nicht lediglich die nominelle Härte. AISI 4140 besitzt beispielsweise im Allgemeinen eine größere Härtbarkeit als ein unlegierter Kohlenstoffstahl mit vergleichbarem Kohlenstoffgehalt, weil Chrom und Molybdän die Umwandlung verzögern. AISI 52100 wird für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Wälzlager aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl ausgewählt, erfordert jedoch eine genaue Kontrolle der Austenitisierung und des Abschreckens, da seine Karbidverteilung und die Querschnittsgröße das Umwandlungsverhalten beeinflussen. Der geeignete Werkstoff hängt vom erforderlichen Härteprofil, der Zähigkeit, der Verschleißbeständigkeit, den Abmessungen und den Betriebsspannungen ab. Die Auswahl eines Stahls mit ausreichender Härtbarkeit kann ein weniger intensives Abschrecken ermöglichen. Dadurch wird der Temperaturunterschied zwischen Oberfläche und Kern verringert und die zur Erzeugung des Zielgefüges erforderliche thermische Spannung reduziert. Ein sehr intensives Abschrecken kann zwar eine hohe Oberflächenhärte erzeugen, aber auch den Verzug, die Rissgefahr und die Eigenspannungen erhöhen, ohne die erforderlichen Kerneigenschaften zu verbessern. Umgekehrt kann eine unzureichende Abschreckintensität weiche Zonen oder übermäßige Anteile an Bainit und Perlit hinterlassen. Die Entscheidung ist ein metallurgischer Kompromiss und keine allgemeine Präferenz für Öl, Wasser, Polymer, Gas oder Salz. Konzentration, Temperatur, Bewegung und Pflegezustand des Abschreckmittels müssen als Prozessvariablen festgelegt werden. Polymerlösungen können ihr Abkühlverhalten ändern, wenn sich Konzentration und Bewegung verändern. Die Viskosität und Temperatur von Öl beeinflussen Zirkulation und Wärmeübertragung. Beim Gasabschrecken sind Druck, Geschwindigkeit und Exposition des Bauteils maßgebend. Salz- oder stufenweises Abschrecken kann den Temperaturbereich verringern, in dem sich starke thermische Gradienten entwickeln, doch der Zyklus muss weiterhin die erforderliche Umwandlung gewährleisten. Der Übersichtsartikel von 2022 im JMEP betont, dass die Auswahl des Abschreckmittels und die Abschreckintensität nicht unabhängig von Geometrie und Querschnittsdicke betrachtet werden können. Verfahren zur Oberflächen- und Einsatzhärtung erfordern besondere Sorgfalt. Das Aufkohlen verändert den Kohlenstoffgehalt nahe der Oberfläche und damit die Umwandlungstemperatur, die Härtbarkeit und die Volumenänderung. Das Nitrieren erzeugt eine gehärtete Verbindungsschicht oder Diffusionszone mit einer wesentlich geringeren Volumenumwandlung im Grundwerkstoff als beim Aufkohlen. Verzug kann jedoch weiterhin durch vorherige Bearbeitungsspannungen, Erwärmung, Zwang durch Vorrichtungen und das Nachschleifen entstehen. Eine Vakuumwärmebehandlung kann die Kontrolle der Atmosphäre verbessern, führt jedoch nicht automatisch zu einer gleichmäßigen Abkühlung, wenn die Anordnung der Charge oder die Gasströmung ungünstig ist. Das Anlassen sollte innerhalb des festgelegten Prozessfensters unmittelbar auf das Abschrecken folgen. Es verringert das Risiko, dass unangelassener Martensit und Abschreckspannungen für spätere Rissbildung oder Verwerfungen verfügbar bleiben. Wenn die verbleibenden Eigenspannungen nicht akzeptabel sind, kann ein mechanischer oder thermischer Spannungsabbau angemessen sein, sofern die Behandlung Härte, Einsatzhärtungstiefe, Maßtoleranzen oder Oberflächenzustand nicht beeinträchtigt. Die Leitlinien von ASM zur Auslegung von Wärmebehandlungen nennen die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als zentrale Auslegungskriterien. ### Vorrichtungen, Ausrichtung und Prozessabfolge Vorrichtungen sollten Bewegungen begrenzen, ohne einen neuen, konzentrierten Kraftpfad zu erzeugen. Eine starre Einspannung eines Bauteils, das sich zusammenziehen will, kann den freien Verzug gegen hohe Eigenspannungen, lokale Plastifizierung oder Rissbildung austauschen. Auflagen sollten möglichst an stabilen, nicht funktionsrelevanten Bereichen angreifen, und der Kontaktdruck sollte während der Temperaturänderung des Bauteils gleichbleiben. Dünne Ringe, Platten und Wellen können Dorne, hängende Vorrichtungen oder geführte Auflagen benötigen. Die Vorrichtung muss jedoch die vorgesehene thermische Kontraktion zulassen, anstatt sie vollständig zu blockieren. Die Ausrichtung des Bauteils beeinflusst sowohl die Wirkung der Schwerkraft als auch den Zugang des Abschreckmittels. Lange Wellen können zur Begrenzung des Durchhängens vertikal aufgehängt werden, während flache Platten möglicherweise so ausgerichtet werden müssen, dass Dampfeinschlüsse vermieden werden und beide Seiten ähnlich abkühlen. Hohlräume, Zahnflanken, Nuten und Bohrungen sollten so zur Strömung ausgerichtet sein, dass eingeschlossener Dampf oder stagnierende Flüssigkeit vermieden werden. Die Ausrichtung der Charge muss in dem tatsächlich verwendeten Korb überprüft werden, da benachbarte Bauteile Oberflächen abschirmen und die lokalen Abkühlgeschwindigkeiten verändern können. Die Prozessabfolge ist ebenso wichtig. Führen Sie die Grobbearbeitung vor der Wärmebehandlung durch, lassen Sie ein kontrolliertes Fertigbearbeitungsaufmaß stehen und führen Sie die Fertigbearbeitung oder das Schleifen nach dem Abschrecken und Anlassen durch, wenn der Eigenspannungszustand bekannt ist. Bei großen Gussteilen oder Schmiedeteilen ist die Warnung des technischen Berichts aus Iowa von Bedeutung: Die Herstellungsgeschichte beeinflusst die endgültigen Abmessungen und Eigenspannungen. Erstarrungsgefüge, vorausgegangene Wärmezyklen, Schweißreparaturen und ungleichmäßige Aufmaße können bis in die Wärmebehandlung fortbestehen und die vorhergesagte Reaktion verändern. Ein Spannungsabbau vor dem Härten kann Bearbeitungs- und Fertigungsspannungen verringern, die sich andernfalls mit Abschreckspannungen überlagern würden. Eine Spannungsarmbehandlung nach dem Abschrecken kann bei geeigneten Stählen das Verwerfungsrisiko reduzieren, ist jedoch kein universelles Heilmittel. Das NIST-Material *Metallurgy of Heat Treatment* dokumentiert, dass nicht abgebaute Abschreckspannungen während der Bearbeitung Verwerfungen verursachen können, wenn der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen stört. Daher sollte der Prozessplan kritische Abmessungen nach jedem wesentlichen Arbeitsschritt messen und nicht erst bei der Endkontrolle. Die richtige Kombination aus Geometrie, Stahlchemie, Härtbarkeit, Querschnittsgröße, erforderlichem Gefüge, Abschreckmittel, Vorrichtung, Ausrichtung und Spannungsabbauzyklus muss für das jeweilige Bauteil und die jeweilige Anlage festgelegt werden. Modellierungen können dabei helfen, Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und Gefügeentwicklung miteinander zu verknüpfen, wie vom Worcester Polytechnic Institute beschrieben. Betriebsversuche und Maßprüfungen bleiben jedoch erforderlich, weil die Anordnung der Charge und die Werkstoffgeschichte häufig darüber entscheiden, ob die vorhergesagte Dehnung in der Praxis kompatibel ist. ## 15. Überlegungen zu Gütebezeichnung, Norm und Prozessspezifikation ### Warum die Gütebezeichnung allein keinen Verzug vorhersagt Eine Stahlgüte bezeichnet die Zusammensetzung und legt in einigen Normen Grenzwerte für mechanische Eigenschaften, Reinheit, Lieferzustand oder Härtbarkeit fest. Sie schreibt jedoch nicht die endgültige Form eines Bauteils nach der Wärmebehandlung vor. Zwei Teile aus derselben Güte können unterschiedliche Maßänderungen entwickeln, weil sich ihre Geometrie, Querschnittsdicke, ursprüngliche Mikrostruktur und Bearbeitungsfolge unterscheiden. Eine lange, schlanke Welle, eine dicke Nabe und eine dünne Platte erfahren beim Abschrecken nicht dieselbe thermische Vorgeschichte. Ihre Oberflächen kühlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Vergleich zu ihren Kernen ab, und Ecken, Bohrungen, Keilnuten sowie abrupte Querschnittsänderungen konzentrieren thermische und Umwandlungsdehnungen. Ein nominell gleichförmiges Bauteil kann daher Bereiche mit Zug- und Druckeigenspannungen enthalten, die sich im Inneren ausgleichen, beim Abtragen von Material jedoch weiterhin Biegung, Ovalität oder lokale Bewegungen verursachen. Die Werkstoffbezeichnung gibt außerdem nicht die effektive Härtbarkeit des Stahls unter einem bestimmten Ofen- und Abschreckzyklus an. Die Legierungszusammensetzung beeinflusst das Zeit-Temperatur-Umwandlungsverhalten, ebenso jedoch die Austenitkorngröße, der ursprüngliche Ferrit-Perlit- oder Bainitzustand, Seigerungen, die Karbidverteilung und eine vorherige Kaltverformung. Eine Stahlgüte im normalisierten Zustand reagiert nicht exakt wie dieselbe Güte im vergüteten Zustand. Die Gießgeschichte kann Porosität, Seigerungen und bereits vorhandene Spannungen hinzufügen; die technischen Arbeiten der University of Iowa zu [Stahlguss](/de/kategorien/stahlguss "Stahlguss") betonen, dass diese Vorgeschichte bei der Vorhersage der Endabmessungen und Eigenspannungen berücksichtigt werden muss. Der Übersichtsartikel aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* mit dem Titel „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review“ beschreibt das Ergebnis als Wechselwirkung zwischen Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Querschnittsdicke, Auswahl des Abschreckmediums und Abschreckintensität. Dies ist der zutreffende ingenieurtechnische Bezugsrahmen. ASM International unterscheidet in seiner Diskussion vergüteter Stähle im *ASM Handbook* ebenfalls zwischen thermischen, umwandlungsbedingten und härtungsbedingten Eigenspannungen. Diese Spannungen sind mit dem Verzug gekoppelt: Umwandlungsdehnungen können plastisches Fließen auslösen, während thermische Gradienten beeinflussen können, wann und wo Martensit, Bainit oder Perlit entsteht. Eine Bezeichnung wie **42CrMo4** nach **EN 10083-3** oder **AISI 4140** nach einer zutreffenden ASTM- oder SAE-Spezifikation sollte daher genau wie vorgeschrieben dokumentiert werden, darf jedoch nicht als Garantie gegen Verzug behandelt werden. Informelle Bezeichnungen und Handelsnamen können Unterschiede bei Grenzwerten der chemischen Zusammensetzung, der Produktform, dem Lieferzustand und der geforderten Härtbarkeit verdecken. Die Norm ist wichtig; ebenso wichtig ist das tatsächliche Werkszeugnis. ### Spezifikationen für Durchhärten und Randschichthärten Eine Anforderung zum Durchhärten sollte mehr enthalten als lediglich „härten und anlassen“. Sie sollte die Austenitisierungstemperatur oder den zulässigen Temperaturbereich, das Erwärmungsverfahren, die Grundlage für die Haltezeit, die Transferzeit, das Abschreckmedium, die Bewegung des Abschreckmediums, die Abschrecktemperatur, die Anlasstemperatur, die Anlasszeit sowie die erforderliche Härte oder Mikrostruktur an festgelegten Stellen angeben. Die Querschnittsgröße muss Bestandteil der Anforderung sein, da ein nahe der Oberfläche gemessener Härtewert nur wenig über den Kern eines großen Querschnitts aussagt. Ein kohlenstoffreicher oder legierter Stahl kann in einem kleinen Querschnitt durchgehend Martensit bilden, im Kern eines dicken Querschnitts jedoch nur ein Mischgefüge. Dieser Unterschied verändert sowohl die Volumenänderung als auch die Spannungsentwicklung. Ein Abschrecken, das stark genug ist, um die geforderte Kernhärte zu erreichen, kann die Temperaturgradienten zwischen Oberfläche und Kern, das Rissrisiko und den Verzug erhöhen. Ein milderes oder unterbrochenes Abschrecken kann die Gradienten verringern, aber den spezifizierten Umwandlungsbereich verfehlen. Die Spezifikation muss diesen Zielkonflikt behandeln, anstatt die Verantwortung der Gütebezeichnung zuzuweisen. Das Randschichthärten führt zusätzliche Einflussgrößen ein. Aufkohlen, Carbonitrieren, Nitrieren und Induktionshärten erzeugen eine gehärtete Schicht über einem andersartigen Kerngefüge. Daher sollten die Randschichthärtetiefe, der Kohlenstoff- oder Stickstoffzustand an der Oberfläche, der Grenzwert für Restaustenit, die Kernhärte und das Übergangsprofil spezifiziert werden. Oberflächen- und Randschichthärten werden in der Literatur des *International Journal of Materials and Product Technology* neben den Bedingungen des Abschreckmediums und dem Fertigschleifen als Einflussgrößen auf Eigenspannungen genannt. Ein aufgekohltes Zahnrad kann sich infolge der Umwandlung in der Randschicht, der Umwandlung im Kern, der Zahngeometrie und der aufkohlungsbedingten thermischen Einwirkung verziehen, selbst wenn seine Grundgüte unverändert bleibt. Beim Induktions- oder Flammhärten können Frequenz, Leistungsdichte, Vorschubgeschwindigkeit, Überlappung, Anordnung der Sprühvorrichtung und Ausgangstemperatur die erwärmte Zone und die Umwandlungsfolge verändern. Beim Nitrieren kann die Anforderung an die Verbindungsschicht und die Härte der Diffusionszone das Maßwachstum anders beeinflussen als eine martensitische Randschicht. Auch Restaustenit ist von Bedeutung: Eine spätere Umwandlung während des Einsatzes, Anlassens, Schleifens oder Lagerns kann die Abmessungen nach dem anfänglichen Abschrecken verändern. Die Richtlinien von ASM zur Auslegung von Wärmebehandlungen nennen die Minimierung des Verzugs und unerwünschter Eigenspannungen als wesentliche Auslegungskriterien und nicht als Prüfprobleme, die erst nach der Verarbeitung behandelt werden sollen. Die Ausführungen des IJMPT aus dem Jahr 2005 zu ungleichmäßigen thermischen Gradienten bezeichnen diese als eine wesentliche Quelle des Abschreckverzugs. Geometrie, Vorrichtung, Beladungsanordnung, Bewegung des Abschreckmediums und Ausrichtung des Bauteils müssen daher in der Prozessspezifikation enthalten sein, wenn sie die Gleichmäßigkeit der Abkühlung beeinflussen. ### Dokumentation des vollständigen Wärmebehandlungszustands Eine zweckmäßige Dokumentation verknüpft die Werkstoffspezifikation mit der tatsächlichen thermischen und mechanischen Vorgeschichte. Mindestens sollten Norm und Gütebezeichnung, Produktform, Schmelzen- oder Gussnummer, Lieferzustand, Querschnittsgröße und jede angegebene Härtbarkeitsanforderung dokumentiert werden. Anschließend sollte der vollständige Zyklus aufgezeichnet werden: Ofentyp und Ofenatmosphäre, Beladungsanordnung, Vorwärmstufen, Austenitisierungstemperatur, Haltezeit bei Temperatur, Transferverzögerung, Bezeichnung und Konzentration des Abschreckmediums, Badtemperatur, Bewegung oder Durchfluss, Verfahren der Unterbrechung sowie Anlassplan. Die Dokumentation sollte außerdem festlegen, was als Erfolg gilt. Härtemessstellen, Kern- und Oberflächengefüge, Randschichthärtetiefe, Grenzwert für Restaustenit, Geradheit, Rundheit, Rundlauf, Ebenheit und zulässige Maßänderung sollten anhand festgelegter Kriterien messbar sein. Die Prüfung vor und nach der Behandlung sollte nach Möglichkeit dieselben Bezugspunkte verwenden, da wechselnde Bezugspunkte die Bewegungen infolge der Wärmebehandlung mit Bearbeitungsfehlern verwechselbar machen können. Die Bearbeitungsfolge gehört in die Dokumentation. *Metallurgy of Heat Treatment*, archiviert vom National Institute of Standards and Technology, weist darauf hin, dass nicht abgebauten Abschreckspannungen beim Zerspanen Verzug verursachen können, wenn durch den Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen gestört wird. Schruppbearbeitung vor dem Härten, Spannungsarmglühen zwischen den Bearbeitungsschritten, Aufmaß für das Schleifen und die Schleifrichtung beim Fertigschleifen können daher das beobachtete Ergebnis verändern, ohne dass sich die Stahlgüte oder das Abschreckrezept ändern. Das U.S. Department of Energy berichtet, dass Erwärmungs- und Abschreckspannungen in Stahlguss zu Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßabweichungen und einer verringerten Betriebsleistung beitragen können. Ein Bericht des Worcester Polytechnic Institute behandelt den Abschreckverzug ebenfalls als ein gekoppeltes Problem, das Wärmeübertragung, Umwandlung, Spannung, Dehnung und die Entwicklung der Mikrostruktur umfasst. Prozessdokumentationen sollten genügend Informationen bewahren, um diese Einflussgrößen von einer Charge zur nächsten vergleichen zu können. Ein Gütezeugnis allein kann dies nicht leisten. ## 16. Ein diagnostischer Rahmen für Verformungsfehler Ein Verformungsfehler sollte als Problem der Prozesshistorie behandelt werden, nicht als Beweis dafür, dass das Abschreckmittel zu aggressiv war. Die Endform eines Bauteils dokumentiert mehrere Ereignisse gleichzeitig: Erwärmung, Wärmedehnung, Phasenumwandlung, plastische Dehnung, Abschrecken, Anlassen, Zerspanung und mitunter Schleifen. Eigenspannung und Verformung sind miteinander gekoppelt, aber nicht identisch. Ein Bauteil kann seine Maßgrenze einhalten und dennoch eine gefährliche Zugspannung aufweisen, oder es kann sich nach der Zerspanung verziehen, wenn der Schneidvorgang ein zuvor verborgen gebliebenes Spannungsgleichgewicht auflöst. Die erste Aufgabe besteht darin, den Fehler durch Messungen zu definieren. Erfassen Sie Betrag und Richtung der Durchbiegung, die mit der Verdrehung verbundene Winkeländerung, die Maßänderung zwischen Bezugsmerkmalen sowie Lage und Ausrichtung jedes Risses. Eine Beschreibung mit dem Richtlineal wie „die Welle hat sich verbogen“ ist unzureichend. Messen Sie den Rundlauf an mehreren Messstellen, erstellen Sie eine Ebenheitskarte über die gesamte Oberfläche und bestimmen Sie, ob der Fehler symmetrisch zur Mittellinie des Bauteils ist. Vergleichen Sie, sofern entsprechende Aufzeichnungen vorliegen, die Zustände nach dem Abschrecken, nach dem Anlassen, nach der Schruppbearbeitung und nach dem Fertigschleifen. Die Abfolge zeigt häufig, wann der Fehler aufgetreten ist. ### Klassifizierung von Durchbiegung, Verdrehung, Wachstum und Rissbildung Die Durchbiegung ist ein Krümmungsfehler, der typischerweise entsteht, wenn eine Seite einer Platte, Welle, eines Zahns oder eines Trägers eine andere thermische oder umwandlungsbedingte Dehnung erfährt als die gegenüberliegende Seite. Ein großes Verhältnis von Durchmesser zu Wanddicke, ein versetztes Bohrungsmuster, eine ungleichmäßige Einsatzhärtungstiefe oder der Kontakt mit einer Vorrichtung können dieses Ungleichgewicht richtungsabhängig machen. Eine Durchbiegung, die sich umkehrt, wenn das Bauteil umgedreht wird, kann auf die Messauflage oder die Schwerkraft zurückzuführen sein; eine Durchbiegung, die in jeder Ausrichtung demselben Werkstoffmerkmal folgt, ist eher metallurgischer oder geometrischer Natur. Die Verdrehung ist davon zu unterscheiden. Sie weist auf eine Variation der Dehnung in Längs- oder Umfangsrichtung hin. Eine schraubenförmige Verformung einer Welle kann durch eine asymmetrische Abschreckströmung, einen intermittierenden Kontakt mit einer Vorrichtung, eine ungleichmäßige Aufkohlungstiefe oder durch während der Umwandlung freigesetzte Torsionsspannungen entstehen. Ein Bauteil mit Keilnuten, Zahnflanken, Keilwellenprofilen oder ungleichen Wanddicken ist besonders empfindlich, weil sich seine Massenverteilung und damit die örtliche Abkühlgeschwindigkeit verändert. Wachstum oder Schrumpfung müssen in thermische, umwandlungsbedingte und zerspanungsbedingte Anteile aufgeteilt werden. Die Austenitbildung führt im Allgemeinen zu einer anderen Volumenänderung als die anschließende Bildung von Martensit, Bainit oder Perlit, und die resultierende Maßänderung hängt von Kohlenstoffgehalt, Legierungschemie, Abkühlgeschwindigkeit und Restaustenit ab. Ein aufgekohltes Zahnrad aus SAE 8620 kann daher nicht anhand derselben Maßerwartung beurteilt werden wie eine durchgehärtete Welle aus AISI 4140. Maßgeblich ist nicht lediglich, ob das Bauteil „größer“ oder „kleiner“ geworden ist, sondern die Änderung jedes kontrollierten Maßes und dessen Zusammenhang mit dem Gefüge. Die Rissbildung stellt eine eigene Fehlerklasse dar, obwohl dieselben Spannungen, die zum Verzug führen, dazu beitragen können. Abschreckrisse folgen häufig Spannungskonzentrationen, scharfen Ecken, Keilnuten, Schleifbrandstellen oder Bereichen mit hoher Härte und geringer Zähigkeit. Interkristalline Risse oder Netzwerkrisse können eher auf Überhitzung, übermäßiges Kornwachstum, Aufkohlungsschäden oder Versprödung als allein auf eine zu starke Abschreckung hindeuten. Dokumentieren Sie den Rissursprung, die Ausrichtung, die Tiefe und die Frage, ob der Riss mit Entkohlung, Restaustenit, Karbiden oder Schleifschäden verbunden ist. Die Magnetpulverprüfung, die Eindringprüfung, metallografische Schliffe und die Bruchuntersuchung sollten jeweils unterschiedliche Teile dieser Fragestellung beantworten. ### Nachverfolgung der thermischen und umwandlungsbedingten Historie Nachdem der Fehler definiert wurde, muss er mit der Geometrie und der Massenverteilung abgeglichen werden. Kennzeichnen Sie dünne Wände, Ansätze, Rippen, Bohrungen, Zähne, Sackhohlräume, scharfe Übergänge und massive Bereiche. Diese Merkmale bestimmen den Wärmefluss und können örtliche Unterschiede beim Beginn und beim Abschluss der Umwandlung verursachen. Die Übersichtsarbeit der Autoren von *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review* aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* beschreibt Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität als miteinander wechselwirkende Variablen. Diese Wechselwirkung sollte die Untersuchung leiten. Überprüfen Sie die Ofenaufzeichnungen, bevor Sie das Abschrecken ändern. Bestätigen Sie die Beschickungstemperatur, die Haltezeit, das Ofenpotenzial der Atmosphäre, die Ofengleichmäßigkeit, die Position der Thermoelemente, die Beladungsmasse, die Anordnung der Chargenträger und die Abstände zwischen den Bauteilen. Ein Ofen kann die Anforderungen an die Temperaturgleichmäßigkeit bei leerer Kammer erfüllen, während sich in einer dicht gepackten Charge erhebliche Temperaturunterschiede zwischen Bauteilen sowie zwischen Oberfläche und Kern entwickeln. Vergleichen Sie Bauteile aus dem oberen, mittleren und Randbereich der Charge. Wenn nur eine Position den Fehler hervorruft, deutet die Evidenz eher auf Beladung oder Strömung als auf ein allgemeingültiges Werkstoffverhalten hin. Rekonstruieren Sie anschließend das Abschrecken. Dokumentieren Sie die Transferzeit, die Temperatur des Bades oder Polymers, die Bewegung der Umwälzung oder der Düsen, die Eintauchrichtung, die Abstände zwischen den Bauteilen sowie die Frage, ob sich Dampffilme oder eingeschlossene Dampfblasen bilden konnten. Das *International Journal of Materials and Product Technology* bezeichnet ungleichmäßige thermische Gradienten als eine wesentliche Ursache der Abschreckverformung, während die zugehörige Diskussion Eigenspannungen mit den Bedingungen des Abschreckmittels, der Oberflächen- und Einsatzhärtung sowie dem abschließenden Schleifen in Verbindung bringt. Abkühlkurven oder instrumentierte Referenzbauteile können zeigen, ob die Oberfläche schnell abkühlte, während der Kern heiß blieb, oder ob eine Seite einen wirksameren Wärmeübergang erhielt. Überprüfen Sie das Ergebnis metallurgisch. Härteverläufe sollten, sofern die Querschnittsgröße dies zulässt, die Oberfläche, den oberflächennahen Bereich und den Kern umfassen. Untersuchen Sie die Größe der ehemaligen Austenitkörner, die Verteilung von Martensit oder Bainit, Restaustenit, Karbide, Entkohlung, Einsatzhärtungstiefe und mögliche Weichzonen. Ein Härtewert innerhalb der Spezifikation beweist nicht, dass die Umwandlung gleichmäßig stattgefunden hat. Bei einem aufgekohlten Zahnrad beispielsweise muss die Einsatzhärtungstiefe an mehreren Zähnen und über den Umfang hinweg gemessen werden, statt sich auf einen einzigen Schliff zu verlassen. Eine Messung der Eigenspannung ist gerechtfertigt, wenn Maßänderungen nach der Entspannung, Rissbildung, Ermüdungsverhalten oder wiederholte Bewegungen während der Zerspanung allein durch Geometrie und Härte nicht erklärt werden können. Die Röntgenbeugung kann oberflächennahe Spannungen charakterisieren; das Bohrlochverfahren liefert ein flaches Tiefenprofil; Neutronen- oder Synchrotronverfahren können, sofern verfügbar, tiefere Bereiche untersuchen. Interpretieren Sie jedes Ergebnis unter Angabe der Messtiefe und der Messrichtung. Ein Druckspannungswert an der Oberfläche schließt eine Zugspannung unterhalb der Einsatzschicht oder an einem Übergang nicht aus. ### Korrekturmaßnahmen, ohne blind eine einzelne Variable zu verändern Vergleichen Sie mehrere fehlerhafte und erfolgreiche Bauteile und nicht nur einen spektakulären Einzelfehler. Ordnen Sie jedes Bauteil seiner Ofenposition, Schmelzennummer, vorausgegangenen Bearbeitungsroute, Abschreckcharge, Anlassbehandlung und dem Prüfergebnis zu. Überprüfen Sie, sofern relevant, auch die Vorgeschichte der Stahlherstellung und des Gießens: Seigerungen, Porosität, der vorherige Umformgrad beim Schmieden, Schweißreparaturen oder ungleichmäßiger Materialabtrag können sowohl den Wärmefluss als auch das Eigenspannungsfeld beeinflussen. Die Berichte des U.S. Department of Energy und der University of Iowa über Stahlguss verbinden Erwärmungs- und Abschreckspannungen mit Verformung, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen und Betriebsverhalten und betonen, dass die Gießhistorie in Maßvorhersagen einbezogen werden muss. Korrekturmaßnahmen sollten eine kontrollierte Gruppe von Variablen verändern und gleichzeitig eine Vergleichsgruppe beibehalten. Mögliche Maßnahmen umfassen eine symmetrischere Beladung, zusätzliche Auflagen, die die Umwandlung nicht behindern, eine Änderung der Bauteilausrichtung, eine Optimierung der Austenitisierungsbehandlung, das Anwenden eines geeigneten Vorwärmens, eine Änderung der Umwälzung oder der Temperatur des Abschreckmittels, ein unterbrochenes Abschrecken oder eine Änderung des Anlassplans. Keine Option sollte allein anhand von Verformungsdaten ausgewählt werden; Härte, Gefüge, Rissprüfung und Eigenspannung müssen anschließend ebenfalls überprüft werden. Eine alleinige Änderung der Abschreckintensität kann die Durchbiegung gegen Rissbildung eintauschen oder einen Maßfehler verringern, während sie gleichzeitig den Restaustenitanteil und das spätere Wachstum erhöht. Eine langsamere Abkühlung kann thermische Gradienten verringern, aber die Bildung weicherer Umwandlungsprodukte ermöglichen; eine schnellere Abkühlung kann das Härtbarkeitsverhalten verbessern und zugleich die Umwandlungsspannung erhöhen. Wie der Bericht des Worcester Polytechnic Institute erläutert, koppelt die Abschreckverformung Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und die Entwicklung des Gefüges. Eine belastbare Diagnose verfolgt daher die gesamte Kette und verändert den Prozess erst dort, wo die Evidenz das maßgebliche Ungleichgewicht identifiziert. ## 17. Wichtige Unterscheidungen und häufige Missverständnisse Verzug infolge der Wärmebehandlung und Eigenspannungen stehen miteinander in Zusammenhang, sind jedoch keine austauschbaren Bezeichnungen für denselben Zustand. Ein Bauteil kann eine kaum messbare Formänderung aufweisen und dennoch erhebliche innere Spannungen enthalten; umgekehrt kann es sich nach der Bearbeitung verformen, obwohl die ursprünglichen Spannungen an der Oberfläche nicht erkennbar waren. Die zutreffende Beurteilung folgt den Quellen der Dehnung: thermischen Gradienten, Phasenumwandlungen, plastischer Verformung, Geometrie, Wanddicke, Werkstoffhistorie und dem Abschreckvorgang. ASM International beschreibt in *Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels* thermische, umwandlungsbedingte und härtungsbedingte Eigenspannungen als unterschiedliche Beiträge. Die im *Journal of Materials Engineering and Performance* veröffentlichte Übersichtsarbeit „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels“ aus dem Jahr 2022 behandelt Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmediums und Abschreckintensität ebenfalls als miteinander wechselwirkende Variablen und nicht als voneinander unabhängige Ursachen. ### Verzug ist nicht gleichbedeutend mit Eigenspannung Verzug ist eine Änderung der Abmessungen oder der Geometrie eines Bauteils: Eine Welle biegt sich, ein Ring wird oval, eine Platte entwickelt einen schüsselförmigen Verzug oder eine Bohrung weicht von ihrer vorgesehenen Position ab. Eigenspannung ist ein inneres Spannungsfeld, das nach der Entfernung äußerer Lasten und von Temperaturunterschieden bestehen bleibt. Sie kann in einem Bereich Zug- und in einem anderen Druckspannung sein und sich über das Bauteil ausgleichen, ohne eine offensichtliche Änderung der Gesamtabmessungen zu verursachen. Die beiden Zustände werden gekoppelt, wenn Eigenspannungen eine plastische Dehnung verursachen. Beim Abschrecken kühlt die Oberfläche ab und zieht sich zusammen, bevor sich der heißere Kern ebenfalls zusammenziehen kann. Überschreitet die lokale Spannung die temperaturabhängige Streckgrenze, bleibt eine bleibende Verformung zurück. Die anschließende martensitische Umwandlung verändert das Gleichgewicht erneut, da Martensit ein größeres Volumen einnimmt als der ursprüngliche Austenit. Ein Bauteil kann das Abschreckbad daher sowohl mit einer veränderten Form als auch mit einem sich selbst ausgleichenden Spannungsfeld verlassen. Ein Härtewert beseitigt diese Unterscheidung nicht. Ein aufgekohltes Zahnrad aus AISI 8620 kann zwar die vorgeschriebene Oberflächenhärte erreichen und dennoch einen Rundlauf- oder Formfehler, Restaustenit oder einen schädlichen Spannungsgradienten unterhalb der Oberfläche aufweisen. Eine Welle aus AISI 4140 kann nach dem Abschrecken in Öl und dem Anlassen die erforderliche Härte erreichen und sich dennoch verlagern, wenn eine Keilnut oder ein Bearbeitungsaufmaß entfernt wird. *Metallurgy of Heat Treatment*, im Werkstoffdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology aufbewahrt, beschreibt ausdrücklich den Verzug während der Bearbeitung, wenn der Materialabtrag das Gleichgewicht der Eigenspannungen stört. Auch Messungen mittels Röntgenbeugung an der Oberfläche oder mittels Bohrlochverfahren haben Grenzen. Sie beschreiben einen oberflächennahen Bereich und nicht automatisch den Spannungszustand im gesamten Kern. Bei einem dicken Schmiedestück, Gussstück oder aufgekohlten Bauteil mit einem steilen Spannungsgradienten können Neutronenbeugung, Konturverfahren, das schrittweise Abtragen von Werkstoff oder validierte Prozessmodelle erforderlich sein. Der gemessene Oberflächenwert kann sogar ein entgegengesetztes Vorzeichen zu dem des Kernwertes aufweisen. ### Abschrecken ist nicht die einzige Ursache für Maßänderungen Dem Abschrecken wird häufig die Verantwortung zugeschrieben, weil seine Temperaturänderungen schnell erfolgen; die Maßänderung beginnt jedoch bereits, bevor das Bauteil in das Abschreckmedium gelangt. Das Erwärmen kann Bearbeitungsspannungen abbauen, die Verteilung der Carbide verändern und eine ungleichmäßige Ausdehnung verursachen. Ein Gussstück kann bereits durch die Erstarrung, ungleichmäßige Abkühlung, Wärmenester, Speiser, Schweißreparaturen oder eine grobe Bearbeitung Eigenspannungen enthalten. Die Berichte des U.S. Department of Energy und der University of Iowa über Stahlguss bringen diese thermischen Spannungen und Eigenspannungen mit Verzug, Rissbildung, Nacharbeit, Schweißreparaturen, Maßfehlern und einer verminderten Betriebsleistung in Verbindung. Die Gießereihistorie muss daher in jede Vorhersage der Endabmessungen einbezogen werden. Die Umwandlungsdehnung ist nicht auf Martensit beschränkt. Perlit, Bainit, Ferrit und Martensit bilden sich in unterschiedlichen Temperaturbereichen und weisen unterschiedliche spezifische Volumina auf. Umwandlungsplastizität kann auftreten, wenn eine Phasenumwandlung unter Spannung abläuft; dadurch kann sich das Bauteil bei Spannungen verformen, die unterhalb der gewöhnlichen Streckgrenze liegen. Restaustenit kann sich später während des Anlassens, einer Kühlung, einer Betriebsbelastung oder durch Schleifwärme umwandeln und dadurch eine zusätzliche Ausdehnung oder lokale Formänderung verursachen. In aufgekohlten Stählen wie AISI 52100 oder AISI 8620 verändert der Kohlenstoffgradient von der Oberfläche zum Kern die Härtbarkeit, die Umwandlungstemperaturen, den Martensitvolumenanteil und den Restaustenitgehalt. Die Geometrie bestimmt, wie sich diese Effekte entwickeln. Ein dünner Steg kühlt schnell ab, während eine massive Nabe heiß bleibt; eine scharfe Ecke konzentriert den Wärmefluss und die Spannung; eine Bohrung verändert die Kühlfläche und die Einschränkung der Querschnittsbereiche. Abschreckintensität und Gleichmäßigkeit sind wichtig, ebenso jedoch die Temperatur des Abschreckmediums, dessen Bewegung, die Umwälzung, die Ausrichtung des Bauteils, die Beladungsdichte und das Verhalten des Dampffilms. Die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* beschreibt diese Wechselwirkungen unmittelbar. Der Bericht des Worcester Polytechnic Institute stellt den Abschreckverzug als gekoppeltes Problem dar, das Wärmeübergang, Phasenumwandlung, Spannung, Dehnung und die Entwicklung des Gefüges umfasst. Auch die spanende Bearbeitung und das Schleifen können eine spätere Phase der Maßänderung einleiten. Ein ungleichmäßiger Materialabtrag legt Spannungen frei oder verteilt sie um, während das Schleifen bei unzureichender Wärmebeherrschung eine oberflächennahe thermisch beeinflusste Schicht und umwandlungsbedingte Spannungen erzeugen kann. Die Teile I und II des *International Journal of Materials and Product Technology* identifizieren ungleichmäßige thermische Gradienten als eine Hauptursache des Abschreckverzugs und behandeln die Bedingungen des Abschreckmediums, die Oberflächen- und Einsatzhärtung, den Restaustenit sowie das abschließende Schleifen. ### Spannungsarmglühen gewährleistet keine Maßstabilität Das Anlassen verringert einen Teil der Abschreckspannungen und verändert das martensitische Gefüge, beseitigt jedoch nicht jeden Spannungsanteil und gewährleistet nicht, dass die Abmessungen unverändert bleiben. Das Ergebnis hängt von Anlass­temperatur, Zeit, Gleichmäßigkeit des Erwärmens und Abkühlens, Wanddicke, Legierungszusammensetzung, vorausgegangener Umwandlung und der Menge des vorhandenen Restaustenits ab. Ein Anlassen bei niedriger Temperatur kann erhebliche Spannungen zurücklassen; eine Behandlung bei höherer Temperatur kann eine zusätzliche Erholung, Carbidausscheidung oder die Umwandlung instabilen Austenits auslösen. Auch das mechanische Spannungsarmmachen unterliegt einer ähnlichen Einschränkung. Vibrationsbehandlung, Recken oder ein kontrollierter thermischer Zyklus können Spannungen umverteilen, ohne eine ungeeignete Geometrie, ein ungleichmäßiges Gefüge oder einen Gussfehler zu korrigieren. Durch das Spannungsarmmachen kann außerdem eine Bewegung sichtbar werden, die zuvor behindert war. ASM International bezeichnet in *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* die Minimierung von Verzug und unerwünschten Eigenspannungen als zentrale Auslegungskriterien und nicht als Ergebnisse, die sich automatisch aus dem Erreichen der Härte ergeben. Maßstabilität erfordert Prozesskontrolle und Überprüfung: Vor und nach der Wärmebehandlung sind Messungen durchzuführen, kritische Formmerkmale zu prüfen, die Bearbeitungsfolge zu berücksichtigen, gegebenenfalls den Restaustenit zu untersuchen und Spannungsmessverfahren auszuwählen, die der Tiefe und Geometrie des Bauteils entsprechen. Ein Härteverlauf liefert wichtige Hinweise auf die Umwandlung, ist jedoch kein Beleg dafür, dass das gesamte Spannungsfeld oder die endgültige Form akzeptabel ist. ## 18. Referenztabellen und praktische Checkliste Wärmebehandlungsaufzeichnungen sollten als Kette von Ursachen gelesen werden, nicht als isolierte Werte für Ofen und Abschreckung. ASM International unterscheidet thermische, umwandlungsbedingte und durch das Härten verursachte Eigenspannungen, während die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance* Wärmeübertragung, Phasenumwandlung, Geometrie, Wanddicke, Auswahl des Abschreckmittels und Abschreckintensität als miteinander wechselwirkende Variablen beschreibt. Ein Bauteil kann daher ein Härteziel erreichen und sich dennoch während der Zerspanung, des Schleifens oder im Betrieb verformen. ### Tabelle: Mechanismus und Symptom | Mechanismus oder Bedingung | Wahrscheinliche Beobachtung | Was vor der Ursachenzuordnung zu prüfen ist | |---|---|---| | Ungleichmäßige Abkühlung der Oberfläche, unterbrochene Umwälzung oder unterschiedliche lokale Wanddicke | Biegung, Verdrehung, Ovalität, Verjüngung oder ungleichmäßiger Verzug nach dem Abschrecken | Ausrichtung des Bauteils, Beladung des Gestells, Strömung des Abschreckmittels, Verhalten des Dampf-Films, scharfe Übergänge, Bohrungen sowie Änderungen von dünnen zu dicken Querschnitten | | Thermische Kontraktion, bevor der Kern abgekühlt ist | Zugspannung an der Oberfläche, Druckspannung im Kern, Maßänderung oder örtliches Fließen | Temperaturverlauf über den Querschnitt, Wärmeübergangskoeffizienten und die Frage, ob das Bauteil eingespannt war | | Umwandlungsdehnung durch die Bildung von Martensit, Bainit oder Perlit aus Austenit | Wachstum, Schrumpfung, Änderung der Bohrungsgröße, Längenänderung oder Formänderung, die sich nicht allein durch die thermische Kontraktion erklären lässt | Stahlsorte, Kohlenstoff- und Legierungsgehalt, Härtbarkeit, Umwandlungsabfolge, Abkühlgeschwindigkeit und Umwandlungsstarttemperaturen | | Unterschiedliche Umwandlungszeiten an Oberfläche und Kern | Biegung, Verzug im Bereich von Absätzen, Eigenspannungsgradienten oder verzögerte Bewegung während des Anlassens | Wanddicke, Einsatzhärtungstiefe, Kerngefüge, Restaustenit und Temperaturgleichmäßigkeit | | Hohe Abschreckintensität oder übermäßiger Temperaturunterschied | Abschreckrisse, Eckrisse, Schleifrisse oder plötzliches Versagen während der Prüfung | Art, Temperatur, Konzentration und Bewegung des Abschreckmittels, Überführungszeit, Sauberkeit des Bauteils und Eckradien | | Umverteilung von Eigenspannungen während des Materialabtrags | Eine bearbeitete Fläche bewegt sich, eine Bohrung schließt oder öffnet sich, oder ein zuvor gerades Bauteil biegt sich | Von jeder Seite abgetragenes Material, Aufmaß für die Schruppbearbeitung, Spannungsarmbehandlung und Reihenfolge der Arbeitsgänge | | Umwandlung von Restaustenit nach dem Abschrecken | Verzögertes Maßwachstum, Härteänderung oder Bewegung während des Anlassens, der Tieftemperaturbehandlung oder im Betrieb | Endtemperatur des Abschreckens, Legierungsgehalt, Anlassplan, Messung des Restaustenits und verstrichene Zeit | | Örtliche Schleifwärme oder übermäßiger Materialabtrag | Anlassbrand, Zugspannung an der Oberfläche, Schleifrisse oder Maßverjüngung | Schleifscheibenspezifikation, Abrichten, Kühlmittelzufuhr, Kontaktzeit, Ausfunken und Prüfung auf Schleifbrand | | Gieß-, Schmiede-, Schweiß- oder frühere Zerspanungsgeschichte | Verzug, der zwischen nominell identischen Bauteilen variiert | Ausgangsgefüge, Seigerungen, Einschlüsse, vorherige Spannungsarmbehandlung, Richten und Materialzeugnisse | Diese Tabelle dient als diagnostisches Hilfsmittel und ist kein Ersatz für Metallografie oder einen gemessenen thermischen Verlauf. Ungleichmäßige Abkühlung weist am unmittelbarsten auf Verzug hin, Umwandlungsdehnung auf Wachstum oder Formänderung und die Umverteilung von Eigenspannungen auf eine Bewegung während der Zerspanung. Übermäßige thermische oder umwandlungsbedingte Spannungen erhöhen das Rissrisiko; die Rissbildung hängt jedoch ebenfalls von Fehlern, Geometrie, Oberflächenzustand und der Bruchanfälligkeit des Stahls ab. ### Checkliste für Prozessaufzeichnungen #### Wesentliche Angaben zur Prozessdokumentation - **Werkstoff** Dokumentieren Sie die genaue Bezeichnung, die Produktform, die Schmelzen- oder Gussnummer, die chemische Zusammensetzung und den vorherigen Zustand. - **Geometrie** Dokumentieren Sie die Querschnittsdicke, Übergänge, Bohrungen, Ausrundungen, Bezugselemente und das Bearbeitungsaufmaß. - **Erwärmen** Dokumentieren Sie Ofen, Beladungsanordnung, Atmosphäre, Vorwärmstufen, Aufheizrate und Austenitisierungszustand. - **Abschrecken** Dokumentieren Sie Medium, Temperatur, Konzentration oder Viskosität, Umwälzung, Orientierung und Transferverzögerung. - **Fertigbearbeitung** Dokumentieren Sie Anlassen, Materialabtragung bei der Bearbeitung, Schleifbedingungen und Prüfstadien. Dokumentieren Sie den Werkstoffzustand, bevor Sie eine Erklärung auf Grundlage der Wärmebehandlung auswählen. Erfassen Sie die Bezeichnung genau so, wie sie angegeben ist, beispielsweise AISI 4140, ASTM A681 D2 oder ASTM A295 52100, und dokumentieren Sie die zutreffende Produktnorm, die Schmelzennummer, die chemische Analyse, den vorherigen geglühten oder normalisierten Zustand, die Korngröße, Seigerungen, Einschlüsse und die vorausgegangene Kaltverformung. Eine Nennsorte allein ist unzureichend, wenn Ergebnisse verschiedener Lieferanten oder Normen verglichen werden. Für die Geometrie sind die Zeichnungsrevision zu sichern und die Gesamtabmessungen, Wanddicken, Längen-Durchmesser-Verhältnisse, Wandstärken, Bohrungen, Keilnuten, Gewinde, Hohlkehlen, Nuten, scharfen Ecken, Asymmetrien, das Bezugssystem und das Bearbeitungsaufmaß zu messen. Vermerken Sie, ob das Bauteil vor der Wärmebehandlung geschmiedet, gewalzt, gegossen, geschweißt oder montiert wurde. Der technische Bericht der University of Iowa über Stahlgussteile zeigt, warum die Gießgeschichte bei der Bewertung von Endabmessungen und Eigenspannungen berücksichtigt werden muss. Aufzeichnungen über das Erwärmen sollten die Ofenidentifikation, den Kalibrierstatus, die Chargenmasse, das Beladungsmuster, die Auflagepunkte, die Atmosphäre oder das Vakuumniveau, Vorwärmstufen, Aufheizraten, die Wiederanlaufzeit des Ofens sowie, sofern verfügbar, Messungen der Bauteiltemperatur enthalten. Für das Austenitisieren sind die Zieltemperatur, die Haltezeit bei Temperatur, der geschätzte oder gemessene Temperaturausgleich im Kern, gegebenenfalls das Kohlenstoffpotenzial, die Atmosphärenchemie, der Oberflächenzustand und die Frage zu dokumentieren, ob dem Abschrecken eine Aufkohlung, Carbonitrierung, Nitrierung oder Vakuumbehandlung vorausging. Aufzeichnungen über das Abschrecken müssen mehr enthalten als nur die Bezeichnung des Mediums. Dokumentieren Sie die Zusammensetzung von Öl, Wasser, Polymer, Salzlösung, Gas oder Salzbad, die Temperatur des Abschreckmittels, Konzentration oder Viskosität, Umwälzgeschwindigkeit und -richtung, Strömungsgleichmäßigkeit, Überführungsverzögerung, Anordnung der Charge, Eintauchlage sowie jede Unterbrechung oder Verzögerung. Die Beiträge im *International Journal of Materials and Product Technology* weisen darauf hin, dass der Zustand des Abschreckmittels, die Abschreckintensität, das Oberflächen- und Einsatzhärten sowie das abschließende Schleifen für Eigenspannungen relevant sind. Für das Anlassen sind die Überführungszeit nach dem Abschrecken, die Anlasstemperatur, die Verweildauer des Bauteils auf Temperatur, die Anzahl der Zyklen, die Gleichmäßigkeit des Ofens, das Abkühlverfahren sowie jede kryogene oder stabilisierende Behandlung zu dokumentieren. Messen Sie die Härte an verschiedenen Stellen, anstatt sich nur auf einen Messwert an der Oberfläche zu verlassen. Fügen Sie Maßmessungen vor der Wärmebehandlung, nach dem Abschrecken, nach dem Anlassen, nach der Schruppbearbeitung, nach der Fertigbearbeitung und nach dem Schleifen ein. Aufzeichnungen über die Zerspanung sollten Änderungen der Bezüge, den je Arbeitsgang abgetragenen Materialanteil, Spannkräfte, Verformungen durch die Vorrichtung, den Werkzeugweg sowie die Zeit zwischen Schrupp- und Fertigbearbeitung ausweisen. Aufzeichnungen über das Schleifen sollten den Schleifscheibentyp, das Abrichtintervall, den Zustellbetrag, die Querbewegungsgeschwindigkeit, das Kühlmittel, das Ausfunken sowie Prüfungen der Oberflächentemperatur oder auf Schleifbrand enthalten. Die Prüfung sollte eine Härteverteilung, Maßbezüge, Geradheit, Rundheit, Rundlauf, Oberflächenrisse, Ergebnisse der Magnetpulver- oder Eindringprüfung, gegebenenfalls den Restaustenit sowie Eigenspannungsmessungen umfassen, wenn das Risiko dies rechtfertigt. Die Eingabedaten für Simulationen müssen die Stahlchemie oder Werkstoffsorte, Daten zu Phasenumwandlungen, temperaturabhängige Eigenschaften, latente Wärme, elastisch-plastische Werkstoffdaten, Umwandlungsdehnung, Umwandlungskinetik, Härtbarkeit, Ausgangsgefüge, Kontaktbedingungen, das Wärmeübertragungsverhalten des Abschreckmittels, Umwälzung, Einspannung durch die Vorrichtung, Netzempfindlichkeit sowie die tatsächliche Geometrie von Ofen und Charge angeben. Ein Modell, das die Umwandlungsdehnung nicht berücksichtigt, kann die Abkühlung vorhersagen, während es die wesentliche Ursache der Formänderung verfehlt. ### Fragen zur Interpretation veröffentlichter Daten Fragen Sie zunächst, welcher Stahl und welcher Produktzustand geprüft wurden. „Werkzeugstahl“ kann ASTM A681 D2, AISI H13 oder einen anderen Werkstoff mit unterschiedlicher Härtbarkeit und unterschiedlichem Umwandlungsverhalten bedeuten. War die Probe ein dünner Prüfkörper, ein Ring, ein Zahnrad, ein Gussteil oder ein geschmiedeter Stab? Wanddicke und Geometrie können den Temperaturgradienten so stark verändern, dass sich die scheinbare Wirkung einer Einstellung beim Abschrecken umkehrt. Fragen Sie als Nächstes, ob die angegebene Temperatur die Ofentemperatur, die Oberflächentemperatur oder die Kerntemperatur ist. Wurde die Umwälzung des Abschreckmittels gemessen oder lediglich als „mäßig“ beschrieben? Wurden Konzentration, Viskosität, Badtemperatur, Überführungszeit und Chargenanordnung kontrolliert? Ohne diese Angaben ist ein numerischer Verzugwert nicht übertragbar. Prüfen Sie die Messmethode und das Bezugssystem. Eine angegebene Längenänderung kann elastische Rückfederung, das Lösen aus der Vorrichtung, die Umwandlung von Restaustenit oder einen Messbezug enthalten, der von der Produktionszeichnung abweicht. Stellen Sie fest, ob das Ergebnis nach dem Abschrecken, nach dem Anlassen, nach der Zerspanung oder nach dem Schleifen ermittelt wurde. Trennen Sie schließlich Beleg und Empfehlung. Ein Ergebnis aus der Übersichtsarbeit von 2022 *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* unterstützt eine gekoppelte Betrachtung der Prozesse; es legt jedoch keine universelle Abschreckintensität oder einen allgemein zulässigen Verzug fest. Kein numerischer Verzugsgrenzwert und keine universelle Prozesseinstellung sollten ohne Validierung von Stahlsorte, Norm, Geometrie, Ausrüstung und Wärmebehandlungsgeschichte auf andere Bauteile übertragen werden. **Kompakte Referenz:** ungleichmäßige Abkühlung → Verzug; Umwandlungsdehnung → Wachstum oder Formänderung; Umverteilung von Eigenspannungen → Bewegung während der Zerspanung; übermäßige thermische oder umwandlungsbedingte Spannung → Rissrisiko. Diese Zusammenhänge werden durch ASM International, die Übersichtsarbeit aus dem Jahr 2022 im *Journal of Materials Engineering and Performance*, den Bericht des Worcester Polytechnic Institute über gekoppelte Wärmeübertragung und Gefügeänderung, das Werkstoffdatenarchiv des National Institute of Standards and Technology sowie die Studien im *International Journal of Materials and Product Technology* gestützt. ## Quellen 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. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#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](). International Journal of Materials and Product Technology, 2005. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#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. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#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. [](/de/wiki/w%C3%A4rmebehandlung/w%C3%A4rmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl#wiki-cite-ref-4) https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf **Auf einen Blick** Primäre Quellen von Eigenspannungen Thermische, Umwandlungs- und Härtungsspannungen Hauptarten der Verformung Wölbung, Biegung, Verdrehung, Unrundheit, Konizität, Maßzunahme und Schrumpfung Wichtige Prozessvariablen Temperaturgradienten, Phasenumwandlungen, Geometrie, Querschnittsdicke und Abschreckschärfe [Zurück zu Wärmebehandlung](/de/wiki/wärmebehandlung "Wärmebehandlung — Steel Wiki")