---
title: "Odkształcenia powstałe podczas obróbki cieplnej i…"
description: "Dowiedz się, jak obróbka cieplna powoduje odkształcenia stali i naprężenia resztkowe wskutek gradientów termicznych, przemian fazowych i…"
canonical: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali
language: pl
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/wärmebehandlung/wärmebehandlungsbedingter-verzug-und-eigenspannungen-in-stahl.md
  es: https://steelequivalents.com/es/wiki/tratamiento-térmico/distorsión-por-tratamiento-térmico-y-tensiones-residuales-en-el-acero.md
  fr: https://steelequivalents.com/fr/wiki/traitement-thermique/distorsion-et-contraintes-résiduelles-dans-l-acier-dues-au-traitement-thermique.md
  hu: https://steelequivalents.com/hu/wiki/hőkezelés/a-hőkezelés-okozta-alakváltozás-és-maradó-feszültség-acélban.md
  it: https://steelequivalents.com/it/wiki/trattamento-termico/distorsione-da-trattamento-termico-e-tensioni-residue-nell-acciaio.md
  nl: https://steelequivalents.com/nl/wiki/warmtebehandeling/vervorming-door-warmtebehandeling-en-restspanningen-in-staal.md
  pl: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-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: sha256:5d712d8926d99d3eedb21c7ccbf7efc04b029fa81b8ef4445f81f50191986d5b
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/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali
> Canonical URL: https://steelequivalents.com/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali
> 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.

![Odkształcenia powstałe podczas obróbki cieplnej i naprężenia resztkowe w stali](/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)

Obróbka cieplna

# Odkształcenia powstałe podczas obróbki cieplnej i naprężenia resztkowe w stali

Dowiedz się, jak obróbka cieplna powoduje odkształcenia stali i naprężenia resztkowe wskutek gradientów termicznych, przemian fazowych i hartowania.

![Portret Andersa Bergströma, reportera branży stalowej](/images/uploads/a7d8e5bc-7cdf-409b-913b-211e63e8c441/anders-bergstr-m-1920x1920.jpg)

 **[Anders Bergström](/pl/aktualnosci/autor/anders-bergstrom "Anders Bergström")** Obróbka cieplna 60+ min czytania Zaktualizowano 14 sie 2026 Zweryfikowano naukowo

  Na tej stronieNa tej stronie

- [1. Znaczenie odkształceń po obróbce cieplnej i naprężeń własnych](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#1-znaczenie-odkształceń-po-obróbce-cieplnej-i-naprężeń-własnych "1. Znaczenie odkształceń po obróbce cieplnej i naprężeń własnych")
- [2. Trzy główne źródła naprężeń własnych w stali poddanej obróbce cieplnej](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#2-trzy-główne-źródła-naprężeń-własnych-w-stali-poddanej-obróbce-cieplnej "2. Trzy główne źródła naprężeń własnych w stali poddanej obróbce cieplnej")
- [3. Nagrzewanie: pierwszy etap ryzyka odkształceń](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#3-nagrzewanie-pierwszy-etap-ryzyka-odkształceń "3. Nagrzewanie: pierwszy etap ryzyka odkształceń")
- [4. Austenityzacja i stan metalurgiczny przed hartowaniem](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#4-austenityzacja-i-stan-metalurgiczny-przed-hartowaniem "4. Austenityzacja i stan metalurgiczny przed hartowaniem")
- [5. Hartowanie jako sprzężony problem wymiany ciepła i przemian](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#5-hartowanie-jako-sprzężony-problem-wymiany-ciepła-i-przemian "5. Hartowanie jako sprzężony problem wymiany ciepła i przemian")
- [6. Przemiany fazowe i odkształcenie indukowane przemianą](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#6-przemiany-fazowe-i-odkształcenie-indukowane-przemianą "6. Przemiany fazowe i odkształcenie indukowane przemianą")
- [7. Geometria, Grubość Przekroju i Projektowanie Komponentów](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#7-geometria-grubość-przekroju-i-projektowanie-komponentów "7. Geometria, Grubość Przekroju i Projektowanie Komponentów")
- [8. Profile naprężeń własnych po hartowaniu](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#8-profile-naprężeń-własnych-po-hartowaniu "8. Profile naprężeń własnych po hartowaniu")
- [9. Odpuszczanie, odprężanie i późniejsza obróbka cieplna](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#9-odpuszczanie-odprężanie-i-późniejsza-obróbka-cieplna "9. Odpuszczanie, odprężanie i późniejsza obróbka cieplna")
- [10. Obróbka skrawaniem, szlifowanie i uwalnianie ukrytych naprężeń](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#10-obróbka-skrawaniem-szlifowanie-i-uwalnianie-ukrytych-naprężeń "10. Obróbka skrawaniem, szlifowanie i uwalnianie ukrytych naprężeń")
- [11. Pękanie, prace poprawkowe i konsekwencje eksploatacyjne](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#11-pękanie-prace-poprawkowe-i-konsekwencje-eksploatacyjne "11. Pękanie, prace poprawkowe i konsekwencje eksploatacyjne")
- [12. Pomiar Odkształceń i Naprężeń Szczątkowych](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#12-pomiar-odkształceń-i-naprężeń-szczątkowych "12. Pomiar Odkształceń i Naprężeń Szczątkowych")
- [13. Modelowanie i symulacja odkształceń podczas obróbki cieplnej](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#13-modelowanie-i-symulacja-odkształceń-podczas-obróbki-cieplnej "13. Modelowanie i symulacja odkształceń podczas obróbki cieplnej")
- [14. Strategie Procesowe i Projektowe Kontroli Odkształceń](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#14-strategie-procesowe-i-projektowe-kontroli-odkształceń "14. Strategie Procesowe i Projektowe Kontroli Odkształceń")
- [15. Uwagi dotyczące gatunku, normy i specyfikacji procesu](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#15-uwagi-dotyczące-gatunku-normy-i-specyfikacji-procesu "15. Uwagi dotyczące gatunku, normy i specyfikacji procesu")
- [16. Ramy diagnostyczne dla wad odkształceń](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#16-ramy-diagnostyczne-dla-wad-odkształceń "16. Ramy diagnostyczne dla wad odkształceń")
- [17. Kluczowe rozróżnienia i często spotykane nieporozumienia](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#17-kluczowe-rozróżnienia-i-często-spotykane-nieporozumienia "17. Kluczowe rozróżnienia i często spotykane nieporozumienia")
- [18. Tabele referencyjne i praktyczna lista kontrolna](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#18-tabele-referencyjne-i-praktyczna-lista-kontrolna "18. Tabele referencyjne i praktyczna lista kontrolna")

## 1. Znaczenie odkształceń po obróbce cieplnej i naprężeń własnych

#### Sekwencja obróbki cieplnej

1. **Nagrzewanie** Gradienty temperatury powodują nierównomierne rozszerzanie cieplne i mogą wywołać wczesne odkształcenie plastyczne.
2. **Wygrzewanie** Powstaje austenit, następuje redystrybucja węgla i pierwiastków stopowych oraz rozwija się wielkość ziaren.
3. **Hartowanie** Różnice w chłodzeniu od powierzchni do rdzenia łączą się z odkształceniem przemiany fazowej i ograniczeniem swobody odkształcenia.
4. **Odpuszczanie** Zachodzą przemiany martenzytu, część naprężeń ulega relaksacji, a austenit szczątkowy może nadal ulegać przemianie.

Obróbka cieplna zmienia więcej niż tylko twardość. Podczas nagrzewania, wygrzewania, hartowania i odpuszczania stalowa część doświadcza gradientów temperatury, przemian fazowych, zmian objętości, odkształceń sprężystych, płynięcia plastycznego oraz zmian wytrzymałości. Jej końcowe wymiary i stan naprężeń wewnętrznych są zatem wynikiem sprzężonego procesu termomechanicznego i metalurgicznego, a nie wyłącznie historii temperatury. \[1\] \[1\] [**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.

Cienka krawędź może ostygnąć i ulec przemianie przed rdzeniem. Warstwa nawęglona może kurczyć się inaczej niż wnętrze o niskiej zawartości węgla. Odlew może już zawierać naprężenia powstałe podczas krzepnięcia, zanim trafi do pieca. Ruch ośrodka chłodzącego, temperatura kąpieli, orientacja części, grubość przekroju, hartowność stopu, a nawet kolejność operacji obróbki mechanicznej mogą zmienić wynik. W przeglądzie z 2022 roku, którego autorami są naukowcy publikujący w *Journal of Materials Engineering and Performance*, wzajemne oddziaływania między wymianą ciepła, przemianą fazową, geometrią, grubością przekroju, doborem ośrodka chłodzącego i intensywnością chłodzenia podczas hartowania wskazano jako czynniki decydujące, a nie niezależne zmienne ([przegląd z 2022 roku](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "przegląd z 2022 roku")).

### Odkształcenie wymiarowe a naprężenie wewnętrzne

**Odkształcenie** to niezamierzona zmiana kształtu lub wymiarów części. Obejmuje wyginanie łukowe, zginanie, skręcanie, owalizację, stożkowatość, lokalny przyrost lub skurcz oraz zmiany płaskości lub bicia. Zahartowany wał, który przybiera kształt banana, uległ odkształceniu. Pierścień łożyska, który z kształtu kołowego staje się owalny, również uległ odkształceniu, nawet jeśli jego średnia zmieniła się bardzo nieznacznie. Odkształcenie wykrywa się za pomocą kontroli wymiarowej, pomiarów współrzędnościowych, sprawdzianów lub porównania z geometrią sprzed obróbki.

**Naprężenie własne** to naprężenie pozostające w ciele po ustaniu zewnętrznego obciążenia, różnicy temperatur lub operacji technologicznej, która je wywołała. Ma ono charakter samorównoważący: obszary rozciągane i ściskane współistnieją, dzięki czemu element może spełniać warunki ogólnej równowagi sił i momentów bez przyłożonego obciążenia. Powierzchnia może znajdować się w stanie ściskania, podczas gdy warstwa podpowierzchniowa jest rozciągana, lub odwrotnie. Element może wyglądać na prosty, mimo że naprężenia te pozostają znaczne.

Trzy główne źródła naprężeń szczątkowych w stali poddanej obróbce cieplnej.
| Źródło naprężeń | Główna przyczyna | Typowa konsekwencja |
|---|---|---|
| Cieplne | Nierównomierne rozszerzanie lub kurczenie | Naprężenia powierzchniowe i rdzeniowe, wygięcie lub paczenie |
| Przemianowe | Różne przemiany fazowe i odkształcenia przemianowe | Wzrost, skurcz, owalność lub odwrócenie znaku naprężeń |
| Hartownicze | Lokalne uplastycznienie i zmieniająca się wytrzymałość | Trwałe odkształcenie, redystrybucja naprężeń i ryzyko pękania |

Rozdział ASM International „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels” rozróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego. Cieplne naprężenia własne powstają, gdy różne obszary kurczą się podczas chłodzenia w różnym stopniu. Przemianowe naprężenia własne pojawiają się, gdy austenit przekształca się w produkty takie jak martensyt, bainit lub perlit w różnym czasie i w różnych miejscach. Naprężenia własne związane z hartowaniem odzwierciedlają wzajemne oddziaływanie tych efektów ze zmieniającą się wytrzymałością i plastycznością stali. Kategorie te nakładają się na siebie w rzeczywistym elemencie, lecz ich rozróżnienie pomaga zidentyfikować źródło problemu wymiarowego ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")).

#### Kluczowe rozróżnienie

Część może spełniać tolerancje wymiarowe, zachowując jednocześnie silne wewnętrzne pole naprężeń, albo może odkształcić się po obróbce skrawaniem, gdy usunięcie materiału uwolni zrównoważony stan naprężeń.

Element może spełniać tolerancje wymiarowe, zachowując jednocześnie silne wewnętrzne pole naprężeń, które później powoduje przemieszczenie lub uszkodzenie części. Strong evidence

Odkształcenia i naprężenia własne często występują jednocześnie, ale nie są pojęciami wymiennymi. Element może wykazywać widoczne wygięcie przy stosunkowo niewielkim poziomie naprężeń zablokowanych w materiale po znacznym rozluźnieniu plastycznym. Może też spełniać tolerancje wymiarowe, a jednocześnie zawierać bardzo silne pole naprężeń wewnętrznych. Ten drugi stan jest niebezpieczny, ponieważ późniejsza obróbka mechaniczna, szlifowanie, spawanie, obciążenie eksploatacyjne lub cykle cieplne mogą uwolnić naprężenia albo zmienić ich rozkład. *Metallurgy of Heat Treatment*, zachowana w archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, opisuje, w jaki sposób niezmniejszone naprężenia hartownicze mogą powodować wygięcie podczas obróbki mechanicznej: usunięcie materiału zmienia równowagę, która wcześniej utrzymywała część w zmierzonym kształcie ([archiwum danych materiałowych NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "archiwum danych materiałowych NIST")).

Z tego powodu kontrola końcowa przeprowadzona bezpośrednio po hartowaniu nie opisuje w pełni stabilności wymiarowej. Koło zębate może przejść kontrolę bicia, a następnie zmienić kształt podczas szlifowania wykańczającego. Płyta może pozostać płaska do chwili sfrezowania jednej powierzchni. Zahartowany wał może wykazywać niewielką zmianę, gdy jest podparty, lecz ugiąć się po zwolnieniu z zamocowania. Prawidłowość wymiarowa na jednym etapie nie dowodzi, że stan naprężeń jest nieszkodliwy.

### Dlaczego część może mieć prawidłowe wymiary, a jednocześnie być silnie naprężona

Część zachowuje prawidłowe wymiary, gdy odkształcenia powstałe podczas obróbki są zgodne z jej kształtem, ograniczeniami i reakcją materiału, nawet jeśli naprężenia wewnętrzne są wysokie. Rozważmy długi, jednorodny pręt nagrzewany i chłodzony niemal symetrycznie. W jego powierzchni i rdzeniu mogą powstać przeciwne naprężenia, jednak wypadkowy moment zginający może pozostać bliski zeru. Pręt pozostaje prosty, ponieważ naprężenia rozciągające i ściskające równoważą się w jego przekroju.

Podobny rezultat może wystąpić w pierścieniu lub tarczy, gdy pole naprężeń jest osiowosymetryczne. Element może rozszerzać się lub kurczyć na tyle równomiernie, że pozostaje okrągły, mimo iż w materiale zostają zablokowane naprężenia promieniowe i obwodowe. Pomiar wymiarów rejestruje zewnętrzny skutek; nie ujawnia bezpośrednio rozkładu naprężeń wewnętrznych.

Możliwa jest również sytuacja odwrotna. Jeśli jedna strona chłodzi się szybciej lub jeśli cienki kołnierz ulega przemianie przed grubą piastą, niezgodne odkształcenia powodują zginanie lub skręcanie. Część naprężeń zostaje rozładowana przez odkształcenie plastyczne, pozostawiając trwałą zmianę kształtu. Końcowa część może zatem wykazywać wyraźne odkształcenie, nawet po zaniknięciu znacznej części pierwotnych naprężeń.

ASM w publikacji *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* wskazuje minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowania obróbki cieplnej. To sformułowanie ma znaczenie: samo ograniczenie zmian wymiarów jest niewystarczające. Proces, który utrzymuje część w stanie prostym dzięki silnemu zamocowaniu, może pozostawić wysokie naprężenia ujawniające się później w postaci pęknięć, uszkodzeń podczas szlifowania lub niestabilności eksploatacyjnej. U.S. Department of Energy również wiąże naprężenia cieplne i własne w odlewach stalowych z odkształceniami, pękaniem, naprawami, naprawami spawalniczymi, błędami wymiarowymi i obniżeniem parametrów eksploatacyjnych ([raport DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "raport DOE")).

Historia materiału również zmienia stan początkowy. Wcześniejsze kucie, odlewanie, spawanie, obróbka na zimno, obróbka mechaniczna, nawęglanie, azotowanie lub odprężanie mogą zmienić strukturę ziaren, twardość, naprężenia własne i przebieg przemian. Prace University of Iowa dotyczące odlewów stalowych podkreślają, że historię odlewania należy uwzględnić przy prognozowaniu końcowych wymiarów i naprężeń własnych. Symulacja obróbki cieplnej rozpoczynająca się od założenia pozbawionej naprężeń, jednorodnej mikrostruktury może zatem dostarczyć precyzyjnej odpowiedzi na niewłaściwie sformułowany problem.

### Odkształcenie sprężyste, odkształcenie plastyczne i trwała zmiana kształtu

Odkształcenie sprężyste **Odkształcenie sprężyste** Odkształcenie, które zostaje odwrócone po usunięciu przyłożonego naprężenia, pod warunkiem że materiał nie uległ uplastycznieniu.

Odkształcenie sprężyste jest odkształceniem odwracalnym. Po usunięciu naprężenia materiał powraca do wcześniejszego kształtu lub się do niego zbliża. Podczas hartowania różnice temperatur i odkształcenia przemianowe początkowo powodują powstawanie naprężeń sprężystych, lecz tylko dopóty, dopóki lokalne naprężenie pozostaje poniżej zależnej od temperatury granicy plastyczności.

Odkształcenie plastyczne jest trwałym odkształceniem powstającym, gdy lokalne naprężenie przekracza zmieniającą się granicę plastyczności. Gorąca stal łatwo ulega uplastycznieniu podczas nagrzewania; chłodniejsze obszary podlegające przemianom mogą stać się wystarczająco wytrzymałe, aby przeciwstawiać się odkształceniu, podczas gdy sąsiednie obszary nadal kurczą się lub ulegają przemianie. Ponieważ granica plastyczności, współczynnik rozszerzalności cieplnej i skład fazowy zmieniają się podczas obróbki, granica między zachowaniem sprężystym i plastycznym przemieszcza się w całej części. \[2\] \[2\] [**Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II**](<https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942>). Authors of the IJMPT discussions. International Journal of Materials and Product Technology, 2005.

Trwałe odkształcenie powstaje, gdy odkształcenia plastyczne są przestrzennie niezgodne. Gdyby każdy obszar kurczył się jednakowo, część po prostu stałaby się mniejsza. Jeśli jeden obszar kurczy się bardziej niż inny, a różnicy tej nie można skompensować sprężyście, część wygina się, skręca lub zmienia profil. Przemiany fazowe stanowią dodatkowe źródło odkształceń: na przykład powstawanie martensytu wiąże się ze wzrostem objętości, podczas gdy inne przemiany mają inny czas przebiegu i inną wielkość. W omówieniu opublikowanym w 2005 roku w *International Journal of Materials and Product Technology* nierównomierne gradienty cieplne wskazano jako główne źródło odkształceń hartowniczych, a naprężenia własne powiązano z plastycznym odkształceniem w skali mikro, warunkami chłodzenia, hartowaniem powierzchniowym i warstwy wierzchniej oraz końcowym szlifowaniem ([część I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "część I"); [część II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "część II")).

Raport Worcester Polytechnic Institute ujmuje tę samą kwestię jako sprzężony problem obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenie, odkształcenie i zmiany mikrostruktury ([raport WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "raport WPI")). Jest to właściwy punkt wyjścia dla dalszej części tego artykułu: obróbka cieplna nie narzuca stali jedynie harmonogramu zmian temperatury. Tworzy zmienne, wzajemnie oddziałujące pole odkształceń cieplnych i metalurgicznych, a końcowe wymiary są widoczną pozostałością tej historii.

## 2. Trzy główne źródła naprężeń własnych w stali poddanej obróbce cieplnej

Naprężenia własne to naprężenia, które pozostają po usunięciu obciążeń zewnętrznych i gradientów temperatury. Odkształcenie to zmiana wymiarów: wygięcie, owalność, przyrost wymiarów, skurcz, skręcenie lub zmiana płaskości. Oba zjawiska są ze sobą powiązane, ale nie są tym samym. Element może zachowywać wysokie naprężenia własne, a jednocześnie mieć prawidłowe wymiary, albo może odkształcić się po obróbce skrawaniem, ponieważ usunięcie materiału uwalnia wcześniej zrównoważone pole naprężeń.

ASM International wyróżnia trzy główne źródła naprężeń własnych powstających podczas obróbki cieplnej: naprężenia cieplne, naprężenia przemianowe oraz naprężenia związane z hartowaniem i odkształceniami plastycznymi. Klasyfikacja ta jest użyteczna, ponieważ mechanizmy te różnią się od siebie, mimo że w rzeczywistym elemencie stalowym działają jednocześnie. Określenie takie jak „naprężenia hartownicze” ukrywa zatem rzeczywistą sekwencję zdarzeń. O tym, który mechanizm dominuje w danym miejscu, decydują: wymiana ciepła, przemiana fazowa, grubość przekroju, geometria, hartowność stopu, wybór ośrodka chłodzącego oraz wcześniejsza historia materiału.

![Schemat przedstawiający kurczącą się, chłodniejszą powierzchnię stalowego elementu otaczającą gorętszy rdzeń podczas hartowania](/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 "Powiększ obraz — Schemat przedstawiający kurczącą się, chłodniejszą powierzchnię stalowego elementu otaczającą gorętszy rdzeń podczas hartowania")Surface-to-core temperature differences create changing thermal stress during cooling.

### Cieplne naprężenia własne

Cieplne naprężenia własne powstają wskutek nierównomiernego nagrzewania lub chłodzenia. Stal rozszerza się podczas nagrzewania i kurczy podczas chłodzenia, ale temperatura elementu nie zmienia się wszędzie w jednakowym tempie. Powierzchnia reaguje jako pierwsza, natomiast rdzeń pozostaje w tyle. Cienka krawędź, masywna piasta, ostry narożnik i wywiercony otwór mają różne historie zmian temperatury.

Podczas chłodzenia gorące wnętrze ma tendencję do zachowania rozszerzonego stanu, podczas gdy chłodniejsza powierzchnia kurczy się. Powierzchnia jest hamowana przez gorętszy rdzeń i może w związku z tym znaleźć się w stanie ściskania, podczas gdy w rdzeniu powstają naprężenia rozciągające. Jeżeli powierzchnia chłodzi się i kurczy po wcześniejszym ochłodzeniu rdzenia, układ naprężeń może ulec odwróceniu. Ostateczny znak naprężenia nie wynika z samego określenia „hartowanie”. Zależy on od sekwencji czasowej, lokalnej geometrii, przewodności cieplnej, intensywności chłodzenia oraz od tego, czy podczas procesu przejściowego wystąpiło uplastycznienie.

Nagrzewanie może prowadzić do przeciwnej sekwencji zdarzeń. Szybko nagrzewana powierzchnia próbuje rozszerzyć się względem chłodniejszego wnętrza i może ulec uplastycznieniu w stanie ściskania. Podczas późniejszego chłodzenia tak zmieniona plastycznie powierzchnia może pozostawić rozciągające naprężenia własne. Jednorodność temperatury w piecu, sposób rozmieszczenia wsadu, orientacja elementu oraz kontakt z uchwytami wpływają na pole temperatury przed rozpoczęciem hartowania.

Publikacja ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* wskazuje minimalizację odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowania obróbki cieplnej. Wniosek ma znaczenie praktyczne: gradienty cieplne nie są wyłącznie problemem kontroli temperatury. Powodują powstawanie niezgodnych odkształceń, które mogą stać się trwałe, gdy lokalne naprężenie przekroczy zależną od temperatury granicę plastyczności.

Nierównomierne gradienty cieplne podczas hartowania wskazano jako jedno z głównych źródeł odkształceń hartowniczych w *International Journal of Materials and Product Technology*. Długi, smukły wał może się wygiąć, ponieważ jedna jego strona chłodzi się szybciej niż druga. Pierścień może uzyskać kształt owalny, ponieważ jego powierzchnia zewnętrzna i wewnętrzna wymieniają ciepło z różną szybkością. Płyta może ulec wygięciu talerzowemu, gdy jej powierzchnie chłodzą się nierównomiernie. Naprężenia własne mogą w ciągu kilku milimetrów zmieniać się z rozciągających na ściskające, dlatego pojedyncza wartość średnia niewiele mówi o ryzyku pękania lub późniejszych przemieszczeniach podczas obróbki skrawaniem.

### Przemianowe naprężenia własne

Przemianowe naprężenia własne powstają, gdy stal zmienia strukturę krystaliczną, a tym samym zmienia objętość i właściwości mechaniczne. Podczas chłodzenia z austenitu poszczególne obszary mogą przemieniać się w ferryt, perlit, bainit lub martenzyt w różnych temperaturach. Przemiana martenzytyczna powoduje znaczne odkształcenie przemianowe, natomiast wielkość i kierunek zmiany wymiarów zależą również od zawartości węgla, pierwiastków stopowych, austenitu szczątkowego oraz udziału poszczególnych składników struktury.

Powierzchnia hartowanego elementu często chłodzi się i przemienia wcześniej niż rdzeń. Jeżeli na powierzchni powstanie martenzyt, podczas gdy wnętrze pozostaje austenityczne, powierzchnia rozszerza się, gdy rdzeń jest jeszcze gorący i stosunkowo podatny na odkształcenia. Później przemianie ulega rdzeń i również się rozszerza, jednak wcześniej zahartowana powierzchnia przeciwdziała temu ruchowi. W konsekwencji stan naprężeń może zmieniać się podczas hartowania. Powierzchnia, która początkowo znajdowała się w stanie rozciągania, może ostatecznie znaleźć się w stanie ściskania — lub odwrotnie — zależnie od czasu przebiegu przemiany i stopnia skrępowania.

Dlatego naprężeń przemianowych nie można traktować jako jednorodnej poprawki związanej z „rozszerzaniem się martenzytu”. Odkształcenie przemianowe jest lokalne, a otaczający materiał może mieć inną temperaturę, udział faz oraz granicę plastyczności. Warstwa zahartowana na miękkim rdzeniu zachowuje się inaczej niż przekrój zahartowany na wskroś. Elementy nawęglane, azotowane i hartowane indukcyjnie również uzyskują strome gradienty mikrostruktury i odkształceń. Austenit szczątkowy może przemieniać się później, podczas odpuszczania, eksploatacji, szlifowania lub przechowywania, powodując dodatkową zmianę wymiarów i relaksację naprężeń.

Przemiana wpływa również na naprężenia poprzez plastyczność przemianową. Pod wpływem przyłożonego lub wewnętrznie wytworzonego naprężenia przemieniający się obszar może odkształcać się plastycznie przy naprężeniach niższych od zwykłej granicy plastyczności. Przemiana kompensuje wówczas część narzuconego odkształcenia, ale niekoniecznie w sposób pozwalający zachować pierwotny kształt. Lokalna plastyczność przemianowa może przyczyniać się do wygięcia, powstawania owalności oraz zmian prostoliniowości.

Opublikowany w *Journal of Materials Engineering and Performance* przegląd z 2022 roku, „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review”, opisuje naprężenia własne i odkształcenia jako skutki wzajemnego oddziaływania wymiany ciepła, przemiany fazowej, geometrii, grubości przekroju, wyboru ośrodka chłodzącego oraz intensywności chłodzenia. To wzajemne oddziaływanie ma kluczowe znaczenie. Bardziej intensywny ośrodek chłodzący może jednocześnie zwiększyć gradient cieplny, zmienić sekwencję przemian i wytworzyć twardszą powierzchnię; rozdzielenie tych efektów po zakończeniu procesu jest trudne.

### Naprężenia związane z hartowaniem i odkształceniami plastycznymi

Trzecim źródłem są naprężenia powstające wtedy, gdy lokalne uplastycznienie, umocnienie odkształceniowe lub skrępowanie uniemożliwiają zgodne odkształcenie. Stal nie ma jednakowej wytrzymałości w całym elemencie podczas obróbki cieplnej. Granica plastyczności zmienia się gwałtownie wraz z temperaturą i mikrostrukturą. Austenit w temperaturze hartowania może łatwo ulegać odkształceniu, natomiast świeżo powstały martenzyt jest znacznie wytrzymalszy i mniej ciągliwy. W związku z tym jedna część przekroju może ulec uplastycznieniu, podczas gdy inna pozostaje w stanie sprężystym.

Załóżmy, że warstwa powierzchniowa kurczy się podczas chłodzenia, ale jest hamowana przez gorętszy rdzeń. Jeżeli naprężenie na powierzchni przekroczy jej chwilową granicę plastyczności, warstwa ta ulegnie trwałemu odkształceniu plastycznemu. Gdy pole temperatury stanie się później bardziej jednorodne, sprężysty powrót nie usunie tego odkształcenia plastycznego. Pozostająca niezgodność sprężysta jest źródłem naprężeń własnych. Jeżeli jedna strona elementu ulegnie większemu uplastycznieniu niż druga, niezgodność ujawni się zarówno jako odkształcenie, jak i naprężenie.

Hartowanie nasila ten efekt, utrwalając lokalne różnice. Warstwa martenzytyczna może przeciwdziałać kurczeniu się słabiej zahartowanego rdzenia; miękki rdzeń może kompensować część odkształcenia, lecz dalsze chłodzenie i przemiana mogą odwrócić rozkład naprężeń. Jednorodność chłodzenia, intensywność mieszania, temperatura ośrodka chłodzącego oraz rozmieszczenie elementu decydują o tym, czy nominalnie identyczne przekroje zahartują się w taki sam sposób. Końcowe szlifowanie może dodać kolejną warstwę naprężeń przypowierzchniowych wskutek lokalnego nagrzewania i odkształcenia mechanicznego.

*International Journal of Materials and Product Technology* przypisuje naprężenia własne w hartowanej stali mikroskopowym odkształceniom plastycznym oraz omawia wpływ warunków chłodzenia, hartowania powierzchniowego i warstwy wierzchniej, a także końcowego szlifowania. Mechanizm ten wyjaśnia, dlaczego nie można zakładać, że pomiary naprężeń na powierzchni odzwierciedlają stan rdzenia. Wyjaśnia również, dlaczego odprężanie poprzez odpuszczanie, obróbkę cieplną lub kontrolowane metody mechaniczne należy dobierać z uwzględnieniem stanu materiału i wymaganych wymiarów.

Te trzy źródła nieustannie na siebie nachodzą. Naprężenia cieplne zmieniają przebieg przemiany; odkształcenie przemianowe zmienia cieplne i mechaniczne skrępowanie; lokalne uplastycznienie powoduje redystrybucję obu rodzajów naprężeń. Historia odlewania, odkształcenie podczas kucia, segregacja, obróbka skrawaniem oraz wcześniejsze normalizowanie lub wyżarzanie zmieniają stan wyjściowy materiału. Raporty University of Iowa i U.S. Department of Energy wiążą te naprężenia własne z odkształceniami, pękaniem, koniecznością napraw i ponownej obróbki, błędami wymiarowymi oraz pogorszeniem właściwości eksploatacyjnych. Archiwum danych materiałowych NIST dodatkowo wskazuje, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie podczas obróbki skrawaniem, gdy usuwanie materiału narusza pierwotny stan równowagi.

Prawidłowa ocena musi zatem uwzględniać to, gdzie występują naprężenia rozciągające lub ściskające, jak zmienia się ich wartość w przekroju oraz jak różnią się one między poszczególnymi cechami geometrycznymi. Odpowiedź może być inna na powierzchni, na granicy warstwy zahartowanej i rdzenia, w połowie grubości, w otworze, w zaokrągleniu oraz na powierzchni czołowej. „Naprężenia hartownicze” to określenie procesu, a nie mechanizmu.

## 3. Nagrzewanie: pierwszy etap ryzyka odkształceń

Odkształcenia nie zaczynają się w chwili, gdy stalowy element trafia do chłodziwa. Zaczynają się wtedy, gdy różne obszary elementu osiągają różne temperatury i próbują rozszerzać się w różnym stopniu. Powstające naprężenia mogą pozostać sprężyste albo przekroczyć lokalną granicę plastyczności i doprowadzić do trwałego odkształcenia. W obu przypadkach cykl nagrzewania określa stan mechaniczny, który później oddziałuje z przemianą fazową i chłodzeniem.

Naprężenia własne i odkształcenia są ze sobą związane, ale nie są tym samym. Naprężenia własne to samorównoważące się naprężenia pozostające wewnątrz elementu po ustąpieniu obciążeń zewnętrznych i różnic temperatury. Odkształcenie jest zmianą wymiarów lub kształtu. Element może zachować znaczne naprężenia własne bez widocznego wygięcia, podczas gdy niewielkie lokalne odkształcenie plastyczne może spowodować mierzalne ugięcie lub utratę okrągłości. ASM International wyróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki w stalach hartowanych i odpuszczanych oraz uznaje minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych za podstawowe kryteria projektowania obróbki cieplnej.

### Gradienty temperatury podczas nagrzewania w piecu

Piec może mieć stabilnie ustawioną temperaturę, podczas gdy przedmiot obrabiany nadal pozostaje daleki od jednorodności cieplnej. Powierzchnia pochłania ciepło jako pierwsza; rdzeń reaguje później, ponieważ ciepło musi przewodzić przez przekrój. Cienka krawędź, ząb, żebro lub występ może zbliżyć się do temperatury pieca, podczas gdy gruba piasta lub środek płyty nadal pozostają stosunkowo chłodne. Gorący obszar próbuje się rozszerzyć, lecz chłodniejsze wnętrze go powstrzymuje. W okresie nagrzewania powstaje w ten sposób zmienny rozkład naprężeń ściskających i rozciągających.

Rozkład ten nie jest stały. We wczesnej fazie nagrzewania gorętsza powierzchnia jest zazwyczaj ściskana przez chłodniejszy rdzeń, natomiast rdzeń znajduje się w stanie rozciągania. W miarę przesuwania się frontu temperatury do wewnątrz rozkład naprężeń ulega zmianie, a jeśli różnica temperatur jest wystarczająco duża, może dojść do lokalnego uplastycznienia. Gdy element później wyrównuje temperaturę, wcześniejsze odkształcenia plastyczne nie znikają. Stają się częścią warunków początkowych dla chłodzenia.

Szybkość nagrzewania ma zatem znaczenie nawet wtedy, gdy końcowa temperatura austenityzowania jest identyczna. Szybkie nagrzewanie może zwiększać różnice temperatury między powierzchnią a rdzeniem, natomiast nagrzewanie etapowe lub wygrzewanie wstępne może je ograniczać. Nie oznacza to jednak, że wolne nagrzewanie jest uniwersalnym rozwiązaniem: długotrwała ekspozycja może zmienić wielkość ziarna, spowodować odwęglenie, rozpuszczanie węglików lub utlenianie, a oprzyrządowanie może nadal ograniczać ruch elementu przez cały cykl. Odpowiedni harmonogram zależy od gatunku stali, grubości przekroju, atmosfery pieca i dopuszczalnej zmiany wymiarów.

W przeglądzie opublikowanym w 2022 roku przez autorów na łamach *Journal of Materials Engineering and Performance* opisano odkształcenie jako wynik wzajemnego oddziaływania wymiany ciepła, przemiany fazowej, geometrii, grubości przekroju, doboru chłodziwa i intensywności chłodzenia. Nagrzewanie jest pierwszym ogniwem tego łańcucha. Niejednorodne pole temperatury przy opuszczaniu pieca stanowi dla chłodzenia nierównomierny punkt wyjścia pod względem cieplnym i mechanicznym.

### Ograniczenia rozszerzalności cieplnej i geometria elementu

Swobodny, jednorodny pręt może rozszerzać się bez powstawania znacznych naprężeń wewnętrznych. Rzeczywiste elementy rzadko są swobodne lub jednorodne. Oprzyrządowanie może zaciskać kołnierz, podpierać wał w dwóch punktach albo uniemożliwiać pierścieniowi ruch w kierunku promieniowym. Tarcie kontaktowe może utrzymywać jeden obszar w ustalonym położeniu, podczas gdy inny się rozszerza. Sąsiedni element konstrukcyjny może działać jako wewnętrzne ograniczenie, nawet jeśli nie zastosowano zewnętrznego oprzyrządowania.

Geometria koncentruje te efekty. Gruby występ połączony z cienkim środnikiem nagrzewa się powoli i rozszerza według innego harmonogramu. Żebro może ograniczać płytę w jednym kierunku, powodując zginanie zamiast prostego wzrostu liniowego. Otwory wprowadzają powierzchnie swobodne i zmniejszają lokalną sztywność; rząd otworów może powodować, że jedna strona elementu nagrzewa się i rozszerza inaczej niż druga. Wpusty, rowki, zęby, ostre naroża i nagłe zmiany przekroju tworzą lokalne gradienty temperatury oraz koncentracje naprężeń. Element o pozornie symetrycznym kształcie nadal może ulec odkształceniu, jeśli jego rozkład masy jest asymetryczny lub jeśli punkty podparcia nie są rozmieszczone symetrycznie.

Długie, smukłe elementy są szczególnie wrażliwe na niewielkie różnice rozszerzalności wzdłuż przeciwległych powierzchni. Nieznacznie cieplejsza powierzchnia może spowodować zakrzywienie, zanim wystąpi jakakolwiek przemiana fazowa. Pierścienie i tarcze mogą zmienić średnicę lub utracić płaskość, gdy ich obrzeża i środki podlegają różnym historiom temperaturowym. Duże odlewy i ciężkie odkuwki mogą również zawierać obszary reagujące na tyle wolno, że pozostają chłodne, podczas gdy cienkie występy znajdują się już w pobliżu zakresu austenityzowania.

Oprzyrządowanie ogranicza ruch, ale jednocześnie przenosi obciążenie na element. Sztywne zamocowanie może ograniczyć jeden widoczny rodzaj odkształcenia, a zarazem zwiększyć nagromadzone naprężenia, które zostaną uwolnione podczas odciążania lub chłodzenia. Oprzyrządowanie należy zatem traktować jako część układu cieplnego i mechanicznego, a nie jedynie jako urządzenie służące do utrzymywania wymiarów. Znaczenie geometrii i grubości przekroju podkreślone w przeglądzie z 2022 roku odnosi się zarówno do projektowania oprzyrządowania, jak i do samej stali.

### Wcześniejsze naprężenia, historia odlewania i wcześniejsza obróbka

Element wprowadzany do pieca ma już własną historię. Spawanie pozostawia naprężenia skurczu cieplnego i może tworzyć strefę wpływu ciepła o innej mikrostrukturze i wytrzymałości niż stal rodzima. Kucie powoduje kierunkowy przebieg włókien, nierównomierne chłodzenie i możliwe naprężenia własne między obszarami intensywnie i słabo przerobionymi. Odlewanie może pozostawić niejednorodną strukturę ziarnistą, segregację, porowatość, uszkodzenia w postaci pęknięć na gorąco oraz naprężenia własne wynikające z krzepnięcia i chłodzenia. Zgniot na zimno zwiększa gęstość dyslokacji i powoduje magazynowanie energii, natomiast obróbka skrawaniem może usunąć naprężoną warstwę powierzchniową i zmienić równowagę sił w przekroju.

Prace techniczne University of Iowa dotyczące odlewów stalowych podkreślają, że historię odlewania należy uwzględniać przy przewidywaniu końcowych wymiarów i naprężeń własnych. Zasada ta wykracza poza odlewy: model obróbki cieplnej rozpoczynający się od pozbawionego naprężeń, jednorodnego półfabrykatu może nie uwzględnić przyczyny, dla której rzeczywisty element ulega wygięciu. U.S. Department of Energy również wiąże naprężenia cieplne i własne w odlewach stalowych z odkształceniami, pękaniem, naprawami spawalniczymi, ponowną obróbką, błędami wymiarowymi i pogorszeniem właściwości użytkowych.

Szczególną uwagę należy zwrócić na wcześniejszą obróbkę skrawaniem. *Metallurgy of Heat Treatment*, zachowana w archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, podaje, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować odkształcenia podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usuwanie materiału zaburza równowagę naprężeń własnych. Ta sama zasada może działać podczas nagrzewania: powierzchnia znajdująca się w stanie ściskania lub rozciągania może reagować inaczej niż wnętrze, a cykl piecowy może ujawnić tę nierównowagę.

Odprężanie, normalizowanie, kontrolowane nagrzewanie wstępne lub pośredni etap obróbki skrawaniem mogą zmniejszyć ryzyko, lecz żaden z tych zabiegów nie usuwa automatycznie historii materiału. Nagrzewanie może uwolnić część wcześniejszych naprężeń w wyniku zdrowienia lub płynięcia plastycznego, a jednocześnie powodować nowe naprężenia cieplne. W chwili rozpoczęcia chłodzenia element może już zawierać niejednorodne pole temperatury, zmienioną mikrostrukturę i nierównomierny stan naprężeń. Warunki te pomagają określić, czy późniejsza przemiana doprowadzi do niegroźnej zmiany wymiarów, widocznego wygięcia czy pękania.

## 4. Austenityzacja i stan metalurgiczny przed hartowaniem

Hartowanie nie rozpoczyna się od zanurzenia w oleju, polimerze, wodzie ani gazie. Rozpoczyna się od stanu metalurgicznego wytworzonego podczas nagrzewania. Wielkość ziarna austenitu, rozkład węgla, rozpuszczone pierwiastki stopowe, wcześniejsza mikrostruktura, chemia powierzchni, równomierność temperatury oraz temperatura przekroju — wszystkie te czynniki określają moment rozpoczęcia przemiany i wielkość odkształceń, które może przyjąć element. Stan bezpośrednio przed hartowaniem decyduje zatem zarówno o przebiegu przemian, jak i o naprężeniach powstających podczas chłodzenia elementu.

ASM International wyróżnia trzy czynniki powodujące naprężenia własne w obróbce cieplnej stali: naprężenia cieplne, przemianowe i hartownicze ([ASM Handbook, „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels”](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, „Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels”")). W praktyce Kategorie te nakładają się na siebie. Gradient temperatury powoduje nierównomierny skurcz, gradient przemiany dodaje lokalną zmianę objętości, a wynikająca z tego niezgodność może prowadzić do odkształcenia plastycznego. Element może opuścić kąpiel hartowniczą z akceptowalnymi wymiarami, a mimo to zawierać wystarczająco dużo niezniesionych naprężeń, aby odkształcić się podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usunięcie materiału zmienia równowagę sił wewnętrznych, jak opisano w *Metallurgy of Heat Treatment* w archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology.

### Tworzenie austenitu i homogenizacja

Wpływ stanu austenityzowania na stan przed hartowaniem.
| Stan austenityzowania | Prawdopodobny wynik metalurgiczny | Znaczenie dla odkształceń |
|---|---|---|
| Niewystarczające nagrzewanie lub wygrzewanie | Nierozpuszczone węgliki i lokalne zróżnicowanie zawartości węgla | Niejednorodna przemiana i odkształcenie |
| Kontrolowane nagrzewanie i wygrzewanie | Bardziej jednorodny stan austenitu | Bardziej powtarzalna reakcja na chłodzenie |
| Nadmierna temperatura lub zbyt długi czas ekspozycji | Rozrost ziaren austenitu | Zmiana czasu przemiany i reakcji mechanicznej |

W przypadku stali podeutektoidalnej nagrzanie powyżej odpowiedniej górnej temperatury krytycznej umożliwia przemianę ferrytu i perlitu w austenit. W stalach eutektoidalnych i nadeutektoidalnych składniki wyjściowe oraz wymagana temperatura są inne, jednak pozostaje ten sam praktyczny problem: austenit musi powstać przy kontrolowanym rozkładzie węgla i bez nadmiernego rozrostu ziaren. Austenityzacja nie polega po prostu na osiągnięciu zadanej temperatury pieca. Powierzchnia może osiągnąć temperaturę docelową, podczas gdy rdzeń pozostaje jeszcze chłodniejszy, szczególnie w przypadku grubego przekroju lub elementu o nagłych zmianach grubości.

Węgiel musi rozpuścić się z cementytu i innych węglików, aby ustalić skład austenitu dostępny dla późniejszych przemian. Jeśli nagrzewanie jest niewystarczające lub wygrzewanie trwa zbyt krótko, pozostają nierozpuszczone węgliki i lokalne różnice zawartości węgla. Jeśli nagrzewanie jest zbyt intensywne lub zbyt długie, ziarna austenitu mogą się rozrastać. Oba te stany zmieniają czas przemian i reakcję mechaniczną podczas hartowania. Gruboziarnisty austenit często umożliwia powstawanie produktów przemiany w innych warunkach niż austenit drobnoziarnisty, natomiast lokalne różnice składu sprawiają, że sąsiednie obszary mogą nie rozpoczynać ani nie kończyć przemiany jednocześnie.

Homogenizacja dotyczy również temperatury, a nie tylko składu chemicznego. Kołnierz, wrąb zęba, otwór i cienki wieniec mogą mieć różne przebiegi cieplne w ramach tego samego wsadu pieca. Podczas hartowania cienki obszar zwykle traci ciepło szybciej, podczas gdy wnętrze ciężkiego przekroju pozostaje gorące i nadal kurczy się w późniejszym czasie. W przeglądzie z 2022 roku autorzy publikacji *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance* podkreślają, że wymiana ciepła, przemiana fazowa, geometria, grubość przekroju, dobór czynnika chłodzącego i intensywność hartowania wzajemnie na siebie oddziałują. Traktowanie hartowania jako pojedynczej wartości szybkości chłodzenia ukrywa gradienty powodujące odkształcenia.

Austenit zachowuje również historię materiału elementu. Segregacja powstała podczas odlewania, przebieg włókien po kuciu, cykle cieplne spawania oraz struktury pasmowe, a także wcześniejsze zabiegi normalizowania lub hartowania mogą prowadzić do powstania obszarów o różnej wielkości ziaren lub różnym rozkładzie węglików. Raporty University of Iowa i U.S. Department of Energy dotyczące odlewów stalowych pokazują, dlaczego historia produkcji powinna być uwzględniana przy przewidywaniu zmian wymiarowych: naprężenia cieplne i własne powstające podczas nagrzewania i chłodzenia mogą przyczyniać się do odkształceń, pękania, napraw i przeróbek spawalniczych oraz obniżenia parametrów eksploatacyjnych.

### Skład chemiczny stopu i hartowność

Hartowność **Hartowność** Zdolność przekroju stali do utworzenia martenzytu na określonej głębokości w danych warunkach chłodzenia.

Węgiel wpływa zarówno na możliwą do uzyskania twardość martenzytu, jak i na temperaturę oraz kinetykę przemiany. Pierwiastki stopowe, takie jak mangan, chrom, molibden i nikiel, na ogół przesuwają zakres przemian i mogą zwiększać hartowność, co oznacza, że większy przekrój może utworzyć martenzyt przy określonych warunkach chłodzenia niż stal o mniejszej hartowności. Hartowność nie jest tym samym co twardość. Gatunek stali może charakteryzować się wysoką hartownością, a mimo to wymagać określonej zawartości węgla i warunków hartowania, aby osiągnąć daną twardość.

To rozróżnienie ma znaczenie dla naprężeń. W obróbce cieplnej prowadzącej do zahartowania na wskroś powierzchnia chłodzi się jako pierwsza i może ulec przemianie w martenzyt, podczas gdy rdzeń pozostaje austenityczny. Powierzchnia ma wówczas tendencję do rozszerzania się podczas przemiany martenzytycznej, natomiast rdzeń może nadal kurczyć się cieplnie. Późniejsza przemiana rdzenia może odwrócić wcześniejszy stan naprężeń albo go wzmocnić. Końcowy stan naprężeń własnych zależy od sekwencji przemian, ograniczenia odkształceń, płynięcia plastycznego i odkształceń przemianowych, a nie tylko od twardości.

Skład chemiczny stopu zmienia tę sekwencję, wpływając na temperatury początku przemian, szybkości przemian, stabilność węglików oraz szybkość chłodzenia wymaganą do zahamowania produktów przemian dyfuzyjnych. Może zatem zmieniać miejsca powstawania perlitu, bainitu, martenzytu lub austenitu szczątkowego w obrębie przekroju. Nadal istotna jest geometria. Ten sam gatunek stali i nominalnie taka sama obróbka cieplna mogą prowadzić do różnych rozkładów naprężeń w cienkim pierścieniu, wale ze stopniem oraz ciężkim odlewie, ponieważ różnią się one odprowadzaniem ciepła i mechanicznym ograniczeniem odkształceń.

Bardziej intensywne chłodzenie nie jest uniwersalnie najlepszym sposobem ograniczania odkształceń. Limited evidence

Publikacja ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* wskazuje ograniczenie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowania obróbki cieplnej. Decyzję projektową należy podejmować z uwzględnieniem hartowności stali oraz grubości przekroju elementu. Zwiększenie intensywności hartowania może sprzyjać głębszemu zahartowaniu, ale może również zwiększać gradienty cieplne i odkształcenie plastyczne. Wolniejsze lub bardziej równomierne chłodzenie może ograniczyć odkształcenia, pozostawiając jednak przemianę rdzenia różną od zakładanego celu mikrostrukturalnego. Nie istnieje uniwersalne rozwiązanie polegające na zastosowaniu „intensywniejszego hartowania”.

### Nawęglanie, azotowanie i gradienty głębokości warstwy

Obróbka powierzchniowa i warstwowa stwarza inny problem niż hartowanie na wskroś, ponieważ niejednorodność materiału jest w tym przypadku zamierzona. Podczas nawęglania węgiel wnika w powierzchnię w podwyższonej temperaturze, tworząc gradient stężenia węgla od warstwy wierzchniej w kierunku rdzenia. Po austenityzacji i hartowaniu warstwa wierzchnia oraz rdzeń mogą charakteryzować się różnymi temperaturami przemian, reakcją na hartowność, zawartością węgla w martenzycie, udziałem austenitu szczątkowego i odkształceniami przemianowymi. Głębokość warstwy nie jest zatem wyłącznie profilem twardości; jest również profilem odkształceń i naprężeń.

Rdzeń może przemieniać się później niż wysokowęglowa warstwa wierzchnia, a oba obszary wzajemnie ograniczają swoje odkształcenia podczas skurczu i przemian. Geometria elementu decyduje o tym, czy takie oddziaływanie wytworzy korzystne ściskające naprężenia powierzchniowe, niepożądane naprężenia rozciągające w innym obszarze, wygięcie, owalizację lub lokalne pękanie. Końcowe szlifowanie może ujawnić te naprężenia albo zmienić ich rozkład. Czasopismo *International Journal of Materials and Product Technology* wskazuje mikroskalowe odkształcenie plastyczne, warunki chłodzenia, hartowanie powierzchniowe i warstwowe oraz końcowe szlifowanie jako czynniki wpływające na naprężenia własne w hartowanej stali ([Część II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Część II")).

Azotowanie różni się od nawęglania, ponieważ azot jest wprowadzany w procesie ferrytycznym prowadzonym w stosunkowo niskiej temperaturze, w wyniku czego powstają fazy zawierające azot i azotki stopowe, a nie warstwa wykorzystująca ten sam mechanizm co warstwa nawęglona i hartowana. Jego wpływ na zmiany wymiarowe może być mniejszy niż w przypadku intensywnego cyklu nawęglania i hartowania, ale nie oznacza to automatycznie braku zmian wymiarowych. Grubość warstwy związków, głębokość dyfuzji, wcześniejszy stan rdzenia, naprężenia własne i lokalna geometria wymagają odrębnej oceny. \[3\] \[3\] [**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.

Obróbka cieplna w próżni również wymaga odrębnej analizy odkształceń. Próżnia zmienia reakcje powierzchniowe, ryzyko odwęglenia, wymianę ciepła w piecu oraz dobór ciśnienia i przepływu gazu podczas hartowania; nie eliminuje jednak gradientów cieplnych ani odkształceń przemianowych. Raport Worcester Polytechnic Institute opisuje odkształcenia hartownicze jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenia, odkształcenia i ewolucję mikrostruktury. Opis ten odnosi się w równym stopniu do elementów hartowanych na wskroś, nawęglanych, azotowanych i obrabianych cieplnie w próżni. Stan metalurgiczny przed chłodzeniem określa warunki początkowe; hartowanie jedynie ujawnia, jak warunki te współdziałają z kształtem i ograniczeniem odkształceń.

## 5. Hartowanie jako sprzężony problem wymiany ciepła i przemian

Obróbka cieplna jest sekwencją, w której początkowy stan metalurgiczny, hartowanie i odpuszczanie wzajemnie na siebie oddziałują.

Hartowanie jest często opisywane jako szybki etap chłodzenia, podczas którego austenit przekształca się w martenzyt. Taki opis jest niepełny. Element stalowy nie chłodzi się z jednakową szybkością w całej objętości, a przemiana nie zachodzi wszędzie w tej samej temperaturze ani w tym samym czasie. Jego końcowe wymiary i rozkład naprężeń własnych kształtują się w wyniku wzajemnego oddziaływania wymiany ciepła, przemiany fazowej, ograniczeń sprężystych, płynięcia plastycznego, geometrii, grubości przekroju, historii materiału oraz lokalnych warunków działania ośrodka chłodzącego.

Przegląd z 2022 roku, „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”, opublikowany w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance*, traktuje te zmienne jako wzajemnie oddziałujący układ, a nie jako niezależne ustawienia procesu. Ten sam wniosek przedstawiono w raporcie Worcester Polytechnic Institute *Distortion and Residual Stress*: odkształcenia hartownicze sprzęgają wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenie, odkształcenie i ewolucję mikrostruktury. Ma to znaczenie, ponieważ zmiana jednego parametru może poprawić jeden element procesu, a jednocześnie pogorszyć inny.

### Różnice w chłodzeniu od powierzchni do rdzenia

Gdy rozgrzany element stalowy zostaje zanurzony w ośrodku chłodzącym, powierzchnia jako pierwsza traci ciepło. Następnie ciepło przepływa z gorętszego rdzenia w kierunku chłodniejszej powierzchni, dlatego pole temperatury zmienia się w sposób ciągły w całym przekroju. Cienka krawędź może zbliżyć się temperaturą do temperatury ośrodka chłodzącego, podczas gdy środek grubego koła zębatego, wału, matrycy lub odlewu pozostaje austenityczny. Im większa grubość przekroju, tym dłużej utrzymuje się ta różnica.

Różnica temperatur między powierzchnią a rdzeniem powoduje odkształcenie cieplne. Chłodniejsza powierzchnia dąży do skurczu, podczas gdy cieplejsze wnętrze przeciwstawia się temu skurczowi. W wysokiej temperaturze stal ma stosunkowo niską granicę plastyczności, dlatego część niedopasowania może zostać skompensowana przez odkształcenie plastyczne. W miarę spadku temperatury materiał traci zdolność do płynięcia, a naprężenia mogą zostać utrwalone w elemencie. Powstałe odkształcenie może być widoczne jako wygięcie, owalność, skręcenie lub zmiana średnicy otworu; naprężenia własne mogą pozostać nawet wtedy, gdy zmierzone wymiary wydają się prawidłowe.

Przemiana dodaje drugi, zależny od czasu składnik odkształcenia. W stali węglowej lub niskostopowej powierzchnia może przekształcić się z austenitu w martenzyt, podczas gdy rdzeń nadal pozostaje gorącym austenitem. Przemiana martenzytyczna na ogół powoduje rozszerzenie, natomiast chłodzenie nieprzemienionego austenitu prowadzi do skurczu cieplnego. Rozszerzająca się wcześniej powierzchnia jest ograniczana przez rdzeń. Później, gdy przemianie ulega rdzeń, jego rozszerzanie jest ograniczane przez już przekształconą i chłodniejszą strefę zewnętrzną. W zależności od gatunku stali, drogi chłodzenia oraz temperatury, w której przemienia się każdy obszar, stan naprężenia może zmieniać znak w trakcie hartowania.

Zamiast martenzytu może powstać bainit lub perlit, jeśli dany obszar chłodzi się zbyt wolno albo stal nie ma wystarczającej hartowności. Ich odkształcenia przemianowe i właściwości mechaniczne różnią się od właściwości martenzytu. Austenit szczątkowy może powodować dodatkową zmianę wymiarów podczas dalszego chłodzenia, odpuszczania, eksploatacji lub szlifowania. Dlatego dwa miejsca o tej samej końcowej twardości mogą nadal wykazywać różne naprężenia własne, jeśli przebyły różne drogi cieplne i przemianowe.

W przeglądzie opublikowanym w *International Journal of Materials and Product Technology* niejednorodne gradienty cieplne wskazano jako główne źródło odkształceń hartowniczych. Stwierdzenia tego nie należy sprowadzać do „powierzchnia chłodzi się szybciej”. Istotny jest zmieniający się gradient oraz związane z nim ograniczenia mechaniczne. Na oba te czynniki wpływa geometria. Ostry narożnik ma większą powierzchnię przypadającą na jednostkę objętości niż centralna część środnika, natomiast otwór nieprzelotowy, rowek wpustowy, cienki kołnierz lub powierzchnia przerywana zmieniają lokalny dostęp płynu i przepływ ciepła. Warstwa nawęglona na stali niskowęglowej, na przykład nawęglany element ze stali SAE 8620, również przemienia się inaczej niż jego niskowęglowy rdzeń. Przekrój ze stali AISI 4140 hartowany na wskroś stanowi inny problem cieplny i przemianowy niż element nawęglany.

### Intensywność i jednorodność hartowania

Same nazwy czynników chłodzących nie definiują przebiegu chłodzenia.
| Rodzaj czynnika chłodzącego | Ogólna charakterystyka procesu | Główne zagadnienie wymagające kontroli |
|---|---|---|
| Woda | Szybkie odprowadzanie ciepła | Duże gradienty i szok cieplny |
| Roztwór polimerowy | Szybkość chłodzenia zmienia się w zależności od stężenia i mieszania | Jednorodność stężenia i przepływu |
| Olej | Na ogół wolniejsze chłodzenie | Temperatura, lepkość i cyrkulacja |
| Gaz | Mniejsza intensywność przy kontrolowanym kierunkowym przepływie | Ciśnienie, prędkość i czas ekspozycji |
| Stopiona sól | Stopniowana lub kontrolowana reakcja cieplna | Stan kąpieli i czas przenoszenia |

Intensywność hartowania opisuje zdolność układu chłodzącego do odbierania ciepła ze stali. Analiza Grossmanna wyraża intensywność chłodzenia za pomocą parametru *H*, jednak *H* nie jest uniwersalną stałą materiałową. Zależy od ośrodka chłodzącego, jego temperatury, mieszania, stanu powierzchni, orientacji elementu oraz relacji między płynem a powierzchnią elementu. Hartowanie w wodzie, roztworze polimerowym, oleju, gazie lub w stopionej soli może prowadzić do zupełnie różnych krzywych chłodzenia, a ten sam nominalnie ośrodek chłodzący może zachowywać się odmiennie w różnych zbiornikach.

#### Ostrzeżenie dotyczące hartowania

Intensywność chłodzenia należy dobrać do hartowności stali, grubości przekroju, geometrii i wymaganej mikrostruktury. Szybsze chłodzenie może poprawić zahartowanie rdzenia, jednocześnie zwiększając gradienty i ryzyko pękania.

Większa intensywność zwiększa szybkość chłodzenia i może sprzyjać powstawaniu martenzytu w rdzeniu hartownego przekroju. Może również zwiększać różnicę temperatur między powierzchnią a rdzeniem, zwłaszcza gdy dostęp płynu jest nierównomierny. Może to podnosić naprężenia cieplne i zwiększać odkształcenia. Jednak wolniejsze hartowanie nie jest automatycznie bezpieczniejsze: powolne chłodzenie może w niektórych obszarach umożliwić powstanie perlitu lub bainitu, wydłużyć okres występowania różnic temperatur oraz powodować niezgodność przemian między sąsiednimi przekrojami. Nie istnieje uniwersalna zasada, zgodnie z którą intensywniejsze hartowanie zawsze zwiększa albo zawsze zmniejsza odkształcenia.

Istotne pytanie brzmi, w jaki sposób cała krzywa chłodzenia oddziałuje ze stalą i elementem. Stop o dużej hartowności może osiągnąć wymaganą przemianę w rdzeniu przy umiarkowanym hartowaniu, podczas gdy gatunek o mniejszej hartowności może wymagać szybszego chłodzenia. Intensywne hartowanie może zmniejszyć odkształcenie w jednej geometrii, skracając czas dostępny na nierównomierne chłodzenie, ale zwiększyć je w innej geometrii przez narzucenie większego chwilowego gradientu lub wywołanie nierównomiernego wrzenia. Przegląd z 2022 roku opublikowany w *Journal of Materials Engineering and Performance* wyraźnie wiąże odkształcenia i naprężenia własne ze wzajemnym oddziaływaniem doboru ośrodka chłodzącego, intensywności hartowania, geometrii, grubości przekroju, wymiany ciepła i przemiany fazowej.

Jednorodność jest zatem równie ważna jak nominalna intensywność. Jeśli jedna strona płyty jest poddawana silnemu przepływowi płynu, a przeciwna strona znajduje się w strefie stagnacji, obie strony mogą przemieniać się w różnym czasie. W długim wale mogą powstać różne szybkości chłodzenia wzdłuż jego długości z powodu przepływu w zbiorniku, zamocowań, efektów końcowych lub różnic w odsłoniętej powierzchni. Elementy ułożone zbyt blisko siebie mogą wzajemnie się osłaniać. Kosze, stojaki, osłony i punkty styku mogą powodować lokalne różnice w wymianie ciepła wystarczająco duże, aby zmienić twardość i kształt. \[4\] \[4\] [**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.

Naprężenia własne nie są synonimem odkształcenia. Element może zachować znaczne samorównoważące się naprężenia przy niewielkiej bezpośredniej zmianie wymiarów, podczas gdy inny może ulec widocznemu odkształceniu, ponieważ mniejsza nierównowaga naprężeń wywołuje płynięcie plastyczne. Rozróżnienie to ma znaczenie podczas obróbki skrawaniem. W publikacji *Metallurgy of Heat Treatment*, zarchiwizowanej przez National Institute of Standards and Technology, podano, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie, gdy usuwanie materiału zakłóca pierwotną równowagę naprężeń. Element prosty po hartowaniu nie musi być pozbawiony naprężeń.

### Temperatura ośrodka chłodzącego, jego ruch i przebieg wrzenia

Ośrodek chłodzący odbiera ciepło w kilku etapach, na które silnie wpływają temperatura i ruch płynu. W wodzie lub oleju gorąca powierzchnia stali może początkowo wytworzyć otulinę parową. Ten etap wrzenia błonowego izoluje powierzchnię i może chłodzić ją mniej skutecznie, niż można by oczekiwać. Gdy warstwa pary zanika, wrzenie pęcherzykowe może odbierać ciepło znacznie szybciej. Przy niższych temperaturach powierzchni wrzenie słabnie, a głównym mechanizmem chłodzenia staje się konwekcja.

Warstwa pary rzadko jest jednorodna wokół rzeczywistego elementu. Może utrzymywać się na powierzchni skierowanej ku górze, zanikać w pobliżu krawędzi lub nieregularnie przerywać się wokół narożnika. Te lokalne różnice powodują nierównomierne chłodzenie. Jest to jeden z powodów, dla których mieszanie może zmniejszać odkształcenia, mimo że często zwiększa średnią intensywność chłodzenia: ruch rozbija otuliny parowe i poprawia jednorodność. Nadmierny lub niewłaściwie skierowany ruch może jednak wytwarzać różne lokalne pola przepływu i nasilać chłodzenie jednej powierzchni bardziej niż innej.

Temperatura ośrodka chłodzącego wpływa na lepkość, przebieg wrzenia, pojemność cieplną i stabilność warstwy pary. Zimna woda może zapewniać szybkie odbieranie ciepła, ale może również generować ostre gradienty i silny szok cieplny. Cieplejszy olej zazwyczaj chłodzi wolniej, natomiast stężenie polimeru zmienia zarówno szybkość chłodzenia, jak i przejście między wrzeniem a konwekcją. Hartowanie gazowe jest mniej intensywne, ale może zapewniać kontrolowany, kierunkowy przepływ podczas obróbki cieplnej w próżni. Właściwe porównanie powinno opierać się na zmierzonych krzywych chłodzenia w odpowiednich położeniach, a nie wyłącznie na nazwie ośrodka chłodzącego.

Znaczenie mają również konstrukcja zbiornika i ruch elementu. Obrót może wyrównywać chłodzenie obwodowe elementu cylindrycznego, ale nieodpowiednia prędkość obrotowa może zmieniać usuwanie pary bez korygowania różnic osiowych. Element opuszczany do zbiornika może mieć inną historię cieplną niż element zanurzany jednocześnie w całości. Należy uwzględnić lokalny dostęp płynu do otworów, zębów, zagłębień i stykających się zamocowań.

ASM International wyróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki wpływające na stale hartowane i odpuszczane, a w wytycznych dotyczących projektowania obróbki cieplnej wskazuje minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowe. Spełnienie tych kryteriów wymaga kontrolowania całego cyklu hartowania: pola temperatury od powierzchni do rdzenia, czasu i zakresu przemiany, reakcji naprężeniowo-odkształceniowej oraz przestrzennej jednorodności odbierania ciepła. Hartowanie nie oznacza jednej szybkości chłodzenia. Jest to zmienny w czasie cieplny i metalurgiczny warunek brzegowy oddziałujący na ograniczoną mechanicznie, zmieniającą się fazowo bryłę stałą.

## 6. Przemiany fazowe i odkształcenie indukowane przemianą

Stal nie chłodzi się jako jednorodne ciało sprężyste. Podczas hartowania powierzchnia może przejść przez zakres przemiany, podczas gdy rdzeń pozostaje austenityczny; później rdzeń ulega przemianie w innym stanie naprężenia i przy innej szybkości chłodzenia. Każdy obszar podąża zatem własną ścieżką cieplną i metalurgiczną. Ostateczne wymiary są wynikiem łącznego oddziaływania skurczu cieplnego, odkształcenia związanego z przemianą fazową, naprężeń sprężystych, płynięcia plastycznego, geometrii oraz ograniczenia odkształceń.

ASM International dzieli naprężenia własne powstające podczas obróbki cieplnej na składowe cieplne, przemianowe i związane z hartowaniem. Kategorie te ułatwiają opis mechanizmów, lecz w rzeczywistym elemencie nie są niezależne. Gradient temperatury powoduje powstanie naprężeń; naprężenia te zmieniają odkształcenie towarzyszące przemianie; obszar, w którym zaszła przemiana, zmienia swoją objętość i sztywność, a następnie powoduje redystrybucję naprężeń w sąsiednim materiale. Dlatego w przeglądzie z 2022 roku, którego autorzy opublikowali artykuł *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review* w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance*, wymiana ciepła, przemiana fazowa, geometria, grubość przekroju, dobór czynnika chłodzącego oraz intensywność chłodzenia są traktowane jako zmienne wzajemnie na siebie oddziałujące, a nie jako odrębne współczynniki korekcyjne.

### Początek i koniec przemiany w przekroju

W przypadku przemiany austenitu podczas chłodzenia istotne temperatury nie są pojedynczymi wartościami obowiązującymi dla całego elementu. Są to zdarzenia lokalne. Perlit zaczyna powstawać w lokalnej temperaturze początku przemiany perlitycznej i kończy się w niższej temperaturze; bainit zaczyna powstawać w temperaturze początku przemiany bainitycznej, zwykle oznaczanej jako Bs, a kończy się w pobliżu Bf. Martensyt zaczyna powstawać w temperaturze Ms, a jego ilość zwiększa się wraz ze spadkiem temperatury w kierunku temperatury końca przemiany martenzytycznej, Mf. Skład stopu, wielkość ziaren austenitu, zawartość węgla, wcześniejsza obróbka oraz szybkość chłodzenia przesuwają te temperatury i zmieniają udział powstałej fazy.

Powierzchnia cienkiego przekroju może osiągnąć Ms, podczas gdy środek grubego przekroju nadal znajduje się powyżej zakresu przemiany bainitycznej lub perlitycznej. Na przykład w hartowanym elemencie ze stali AISI 4140 warstwa zewnętrzna może najpierw utworzyć martenzyt, uzyskując odkształcenie związane z przemianą, podczas gdy gorący rdzeń nadal kurczy się cieplnie i pozostaje stosunkowo podatny na odkształcenia. Gdy rdzeń później ulega przemianie, jest ograniczany przez utwardzoną warstwę zewnętrzną. Ta sama nominalnie stal może zatem zawierać martenzyt na powierzchni, bainit lub perlit w wolniej chłodzonym wnętrzu oraz różne naprężenia własne w poprzek strefy przejściowej.

Diagramy przemian przedstawiają tę konkurencję w funkcji czasu i temperatury, a nie wyłącznie temperatury. Ścieżka przemiany podczas chłodzenia ciągłego może ominąć zakres przemiany perlitycznej i bainitycznej, jeśli chłodzenie jest dostatecznie szybkie, jednak grubość przekroju i odprowadzanie ciepła decydują o tym, czy warunek ten jest spełniony w całym elemencie. Intensywność mieszania, temperatura czynnika chłodzącego, powstawanie warstwy parowej, orientacja elementu oraz lokalna geometria zmieniają przebieg chłodzenia. Ostre naroża, otwory, cienkie żebra i masywne zgrubienia nie chłodzą się jednocześnie.

„Początek przemiany” oznacza również początek procesu powodującego odkształcenie, a nie tylko zmianę widoczną na obrazie mikrostruktury. Przed przemianą obszar austenityczny może przenosić naprężenia cieplne sprężyście i plastycznie. Gdy zaczyna powstawać ferryt, cementyt, bainit lub martenzyt, zmieniają się lokalny moduł, granica plastyczności, gęstość oraz charakterystyka rozszerzalności cieplnej. Koniec przemiany nie oznacza, że wszelki ruch wymiarowy lub ewolucja naprężeń dobiegły końca: temperatura może nadal się zmieniać, w przypadku niektórych produktów może nadal zachodzić redystrybucja węgla, a austenit nieprzemieniony może pozostać.

### Zmiana objętości i plastyczność przemiany

Gęstość faz będących produktami przemiany różni się od gęstości austenitu, dlatego przemiana powoduje zmianę objętości. Jej znak i wielkość zależą od składu oraz produktu przemiany. Martenzyt ma zwykle większą objętość właściwą niż austenit macierzysty, szczególnie przy wzroście zawartości węgla, podczas gdy podczas chłodzenia skurcz cieplny działa w przeciwnym kierunku. Bainit i perlit również powodują odkształcenia związane z przemianą, chociaż ich morfologia, podział węgla między fazy oraz temperatura przemiany różnią się od właściwości martenzytu.

Istotnym wynikiem wymiarowym nie jest pojedyncza wartość swobodnego rozszerzenia. Mała próbka, w której przemiana zachodzi jednorodnie, może zmienić rozmiar bez ugięcia. Rzeczywisty element ulega przemianie stopniowo w całym przekroju, dlatego jedna warstwa ogranicza odkształcenie innej. Jeśli lokalne odkształcenie związane z przemianą przekracza dostępne możliwości kompensacji sprężystej, zachodzi odkształcenie plastyczne. Element może wówczas zachować odkształcenie po powrocie do temperatury pokojowej, nawet jeśli końcowa średnia zmiana objętości wydaje się niewielka.

Plastyczność przemianowa **Plastyczność przemianowa** Odkształcenie plastyczne wspomagane przemianą fazową zachodzącą pod wpływem naprężenia przyłożonego lub wytworzonego wewnętrznie.

Plastyczność przemiany to dodatkowe odkształcenie plastyczne powstające podczas przemiany fazowej, gdy materiał znajduje się pod działaniem naprężenia zewnętrznego lub wewnętrznego. Nie wymaga ono, aby naprężenie było wystarczająco wysokie do wywołania zwykłego płynięcia plastycznego w nieprzemienionym austenicie. Przemiana zmienia charakterystykę odkształcania materiału, a naprężenie wpływa na kierunek lub wielkość powstającego odkształcenia. Dlatego pierścień, płyta lub ząb koła zębatego może się wyginać, skręcać lub zmieniać średnicę, gdy front przemiany przechodzi przez ten element.

Mechanizm ten wyjaśnia, dlaczego naprężenia własne i odkształcenie są ze sobą sprzężone, lecz nie są tym samym. Naprężenia własne to samorównoważące się pole naprężeń pozostające po chłodzeniu i odciążeniu; odkształcenie to trwała zmiana kształtu lub wymiarów. Naprężenia mogą występować przy niewielkim widocznym odkształceniu, jeśli geometria i przeciwstawnie odkształcające się obszary zapewniają ich równoważenie. Z kolei plastyczność przemiany może przekształcić niejednorodne pole naprężeń wewnętrznych w zwichrowanie. W raporcie *Worcester Polytechnic Institute* odkształcenie hartownicze opisano jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenia, odkształcenie oraz ewolucję mikrostruktury. Jest to dokładniejszy opis niż traktowanie odkształcenia wyłącznie jako problemu związanego z czynnikiem chłodzącym.

### Martenzyt, bainit, perlit i austenit szczątkowy

Martenzyt jest często największym pojedynczym źródłem odkształcenia hartowniczego w stali utwardzonej. Powstaje w wyniku bezdyfuzyjnej przemiany ścinającej, dlatego węgiel pozostaje uwięziony w przesyconej strukturze tetragonalnej przestrzennie centrowanej, zamiast powoli rozdzielać się między ferryt i cementyt. Jego powstawaniu towarzyszy szybki wzrost objętości oraz odkształcenie postaciowe. Ponieważ martenzyt powstaje w pewnym przedziale temperatur, a nie w jednej chwili, różne części elementu mogą ulegać przemianie przy różnych warunkach ograniczenia odkształceń. Twarda warstwa martenzytyczna otaczająca miękki rdzeń jest szczególnie podatna na redystrybucję naprężeń.

Bainit powstaje w temperaturach niższych niż zakres przemiany perlitycznej i wyższych niż zakres początku przemiany martenzytycznej, chociaż dokładne zakresy zależą od składu chemicznego stopu i historii chłodzenia. Bainit górny i dolny mają różną morfologię oraz charakterystykę odkształcenia. Przemiana bainityczna może powodować znaczną zmianę wymiarów, szczególnie gdy zachodzi niejednorodnie w grubych lub złożonych przekrojach. Może zmniejszać udział martenzytu i zmieniać końcowy rozkład naprężeń, lecz nie eliminuje odkształcenia przemianowego.

Perlit powstaje w wyniku skoordynowanego wzrostu ferrytu i cementytu w stosunkowo wyższych temperaturach przemiany. Jego odkształcenie związane z przemianą jest na ogół kompensowane w dłuższym czasie niż w przypadku powstawania martenzytu, co umożliwia większą relaksację cieplną i plastyczną. Nie oznacza to, że perlit jest nieistotny wymiarowo. Wolno chłodzony rdzeń, w którym powstaje perlit, podczas gdy powierzchnia jest już twarda, może wywierać ograniczenie na warstwę zewnętrzną, a powstałe naprężenia mogą następnie zostać uwolnione podczas obróbki skrawaniem.

Austenit szczątkowy **Austenit szczątkowy** Austenit, który pozostaje nieprzemieniony po chłodzeniu i może ulec przemianie później, podczas odpuszczania, eksploatacji, szlifowania lub przechowywania.

Austenit szczątkowy to austenit, który pozostaje w materiale poniżej temperatury pokojowej, ponieważ lokalna temperatura Mf nie została osiągnięta albo ponieważ węgiel i pierwiastki stopowe stabilizują tę fazę. Stale wysokowęglowe, warstwy nawęglane i gatunki silnie stopowe mogą zawierać znaczne ilości austenitu szczątkowego. Jego obecność wpływa zarówno na bieżące wymiary, jak i na późniejszą stabilność wymiarową. Podczas eksploatacji, odpuszczania, obróbki podzerowej, szlifowania lub późniejszego obciążania austenit szczątkowy może ulec przemianie w martenzyt albo inny produkt przemiany. Późniejszej przemianie może towarzyszyć zwiększenie objętości i zmiana kształtu po zakończeniu nominalnej obróbki cieplnej.

Ta opóźniona zmiana jest jednym z powodów, dla których kontroli wymiarów nie można zawsze ograniczać do chwili opuszczenia pieca. Element może przejść pomiar początkowy, a mimo to zmienić wymiary podczas odpuszczania lub szlifowania wykańczającego. W publikacji NIST *Metallurgy of Heat Treatment* zauważono, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować zwichrowanie podczas obróbki skrawaniem, gdy usuwanie materiału narusza równowagę naprężeń własnych. Dlatego wytyczne ASM dotyczące projektowania obróbki cieplnej wskazują minimalizowanie odkształcenia i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowe. Udziały faz, temperatury przemian oraz austenit szczątkowy należy rozpatrywać łącznie z grubością przekroju i jednorodnością chłodzenia, a nie dodawać jako korekty wprowadzane dopiero po fakcie.

## 7. Geometria, Grubość Przekroju i Projektowanie Komponentów

Geometria decyduje o tym, jak szybko ciepło wnika do stalowego komponentu i z niego uchodzi, gdzie rozpoczyna się przemiana oraz w jakim stopniu poszczególne obszary mogą rozszerzać się lub kurczyć bez ograniczeń. To samo hartowanie zastosowane do wału ze stali AISI 4140 oraz do płyty ze stali AISI 4140 z żebrami, nadlewami i otworami nieprzelotowymi nie wytworzy takiego samego rozkładu naprężeń. Gatunek stali, hartowność, mikrostruktura wyjściowa, szybkość nagrzewania, sposób austenityzowania i ośrodek chłodzący nadal mają znaczenie, jednak kształt przekroju decyduje o tym, jak te zmienne rozkładają się w całym elemencie.

ASM International wyróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki w stalach hartowanych i odpuszczanych. W rzeczywistym komponencie nie pozostają one jednak rozdzielone. Różnica temperatur powoduje odkształcenie cieplne; różnica w przebiegu przemiany dodaje odkształcenie przemianowe; otaczający materiał ogranicza oba te odkształcenia, wytwarzając naprężenia sprężyste, a gdy naprężenie miejscowe przekroczy granicę plastyczności — odkształcenie plastyczne. Z tego względu przegląd opublikowany w 2022 roku w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance* traktuje wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór ośrodka chłodzącego i intensywność hartowania jako wzajemnie oddziałujące czynniki, a nie niezależne dane wejściowe.

![Schemat stalowej piasty i wieńca pokazujący różne szybkości chłodzenia w miejscu przejścia od dużej do małej grubości](/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 "Powiększ obraz — Schemat stalowej piasty i wieńca pokazujący różne szybkości chłodzenia w miejscu przejścia od dużej do małej grubości")Section changes alter heat flow, transformation timing, and local restraint.

### Przejścia od dużej do małej grubości i masa cieplna

Obszar gruby zawiera większą masę cieplną w przeliczeniu na jednostkę powierzchni niż obszar cienki. Podczas nagrzewania cienki przekrój może osiągnąć temperaturę austenityzowania jako pierwszy, podczas gdy rdzeń grubego przekroju pozostaje chłodniejszy. Podczas hartowania kolejność zmienia się w inny sposób: obszar cienki szybko traci ciepło, natomiast obszar gruby zatrzymuje ciepło i może nadal ulegać przemianie, gdy obszar cienki jest już zahartowany. W konsekwencji ich przebiegi temperatury, czasy przemian, udziały martenzytu i miejscowe zmiany objętości mogą się różnić.

Nagłe przejście między nadlewem o grubości 40 mm a wieńcem o grubości 10 mm jest klasyczną strefą ograniczenia odkształceń. Wieniec może kurczyć się, gdy nadlew pozostaje jeszcze gorący i rozszerzony wymiarowo. Później nadlew kurczy się i może odkształcić wieniec w innym kierunku. Jeżeli grubszy obszar ulega przemianie później, jego rozszerzanie lub kurczenie może zmienić stan naprężeń ustalony w pierwszym etapie chłodzenia. Wynikiem może być miejscowe uplastycznienie, koncentracja naprężeń własnych albo zmiana wymiarów, której nie przewiduje proste uwzględnienie równomiernego skurczu hartowniczego.

Projekt powinien sprzyjać łagodnym przejściom: stosowaniu dużych promieni zaokrągleń, zwężających się wieńców, płynnie łączonych nadlewów oraz możliwie równomiernej grubości ścianek. Łagodna zmiana nie eliminuje gradientów cieplnych, lecz rozkłada je na większej odległości i zmniejsza gwałtowne ograniczenie odkształceń występujące na granicy przekrojów. Jeżeli nie można uniknąć ciężkiego przekroju, rysunek powinien wskazywać miejsce przejścia jako cechę istotną z punktu widzenia obróbki cieplnej, a nie jedynie jako szczegół obróbki skrawaniem. Symulacje nagrzewania i hartowania mogą wówczas analizować miejscowy przebieg temperatury i przemian fazowych, zamiast traktować komponent jako jednolity blok.

Ta sama zasada dotyczy części nawęglanych, azotowanych i hartowanych indukcyjnie. Twarda warstwa wierzchnia na miękkim lub wolno chłodzącym rdzeniu powoduje kolejne niedopasowanie związane z grubością. Hartowanie powierzchniowe i warstwy wierzchniej zmieniają położenie oraz wartość naprężeń własnych, jak omówiono w częściach I i II opracowania opublikowanego w *International Journal of Materials and Product Technology*. Szlifowanie końcowe może również uwolnić te naprężenia lub zmienić ich rozkład. Archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, w publikacji *Metallurgy of Heat Treatment*, wskazuje, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować odkształcenia podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usuwanie materiału zmienia równowagę naprężeń własnych.

Projektanci powinni zatem pozostawiać naddatek na obróbkę, uwzględniając możliwość ograniczenia odkształceń, w miarę możliwości podpierać cienkie obszary podczas obróbki cieplnej oraz określać pośrednie odprężanie lub odpuszczanie, gdy wymaga tego sekwencja procesu. Naddatek nie gwarantuje braku przemieszczeń. Umożliwia jedynie kontrolowaną korektę po zakończeniu głównych operacji powodujących powstawanie naprężeń.

### Symetria, niewyważenie i postacie odkształceń

Element o geometrii symetrycznej ma tendencję do rozwijania bardziej zrównoważonych odkształceń cieplnych i przemianowych. Symetria nie zapewnia zerowego odkształcenia, ponieważ przepływ ośrodka chłodzącego, oprzyrządowanie, sposób załadunku i historia materiału mogą naruszyć tę równowagę. Usuwa jednak jedno z głównych źródeł nierównomiernego ograniczenia odkształceń. Komponent asymetryczny chłodzi się z różną szybkością po przeciwległych stronach, a jedna strona może wcześniej ulec przemianie lub osiągnąć inny stan pod względem zawartości martenzytu, bainitu albo austenitu szczątkowego. Nierównomierne odkształcenie powoduje wygięcie lub skręcenie.

Płaska płyta z jednym ciężkim żebrem może wygiąć się w kierunku żebra lub od niego, ponieważ obie strony podlegają różnym przebiegom kurczenia. Wał z mimośrodowym rowkiem wpustowym może się wygiąć lub skręcić, ponieważ strona z rowkiem ma mniejszą masę i inną powierzchnię chłodzenia. Pierścień o nierównomiernej grubości ścianki może stać się owalny zamiast zachować kształt kołowy. Jeżeli różnice cieplne i przemianowe zmieniają się wzdłuż długości, pierścień lub wał może również uzyskać stożkowatość. Są to typowe postacie odkształceń, a nie wyniki uniwersalne: ich kierunek i wartość zależą od gatunku stali, hartowności, wymiarów przekroju, intensywności hartowania, mieszania ośrodka, orientacji i ograniczenia odkształceń.

#### Rodzaje odkształceń

- **Ugięcie** Krzywizna wzdłuż osi płyty, pręta lub wału.
- **Skręcenie** Obrót kątowy wzdłuż długości.
- **Owalność** Utrata kolistości pierścieni i części cylindrycznych.
- **Stożkowatość** Stopniowa zmiana wymiaru wzdłuż długości.
- **Wzrost lub skurcz** Zmiana wymiarów wynikająca z przemiany, skurczu cieplnego lub uwolnienia naprężeń.

Typowe zmiany wymiarowe mają charakterystyczne postacie geometryczne:

- **Wygięcie** to krzywizna wzdłuż osi płyty, pręta lub wału, często związana z nierównomiernym odkształceniem między przeciwległymi powierzchniami.
- **Skręcenie** to obrót kątowy wzdłuż długości, któremu sprzyjają asymetryczne żebra, wpusty, rowki lub nierównomierny dostęp ośrodka chłodzącego.
- **Owalność** to utrata kolistości pierścieni i części cylindrycznych, gdy chłodzenie lub przemiana w kierunku obwodowym przebiegają nierównomiernie.
- **Stożkowatość** to stopniowa zmiana wymiaru wzdłuż długości, spowodowana zmiennym przekrojem, przepływem ciepła lub przebiegiem przemiany.
- **Przyrost wymiarów** może towarzyszyć przemianie lub zachowaniu austenitu szczątkowego, natomiast **skurcz** może wynikać z kurczenia cieplnego, odkształcenia przemianowego i uwolnienia naprężeń podczas obróbki skrawaniem.

Postacie te mogą występować jednocześnie. Zahartowane koło zębate może zwiększyć wymiar w jednym kierunku pomiarowym, stać się lekko owalne i uzyskać bicie osiowe. Określenie, że element ma „odkształcenie hartownicze”, jest mniej użyteczne niż wskazanie zmierzonej postaci odkształcenia i powiązanie jej z geometrią, która spowodowała nierównomierne ograniczenie odkształceń.

Publikacja ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* zalicza minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych do podstawowych kryteriów projektowych obróbki cieplnej. Zasada ta przemawia za zrównoważonymi przekrojami, centralnie umieszczonymi cechami, równomiernym podparciem oraz dostępem ośrodka chłodzącego podobnym wokół całego komponentu. Uzasadnia również projektowanie baz i punktów kontrolnych z uwzględnieniem przewidywanej postaci odkształcenia, zamiast zakładania, że każdy wymiar zmieni się o tę samą wartość.

### Otwory, krawędzie, naroża i gwałtowne zmiany przekroju

Z punktu widzenia wymiany ciepła otwór nie jest nieistotnym szczegółem. Jego powierzchnia wewnętrzna może chłodzić się z innego kierunku niż powierzchnia zewnętrzna, podczas gdy materiał otaczający mały otwór może mieć niewielką masę cieplną. Otwór przelotowy może również umożliwiać dopływ ośrodka chłodzącego i powodować miejscowe różnice w przepływie. Otwory nieprzelotowe zachowują się inaczej, ponieważ ich dna mogą zatrzymywać ciepło i ograniczać ruch płynu. Otwory rozmieszczone blisko siebie pozostawiają cienkie przewężenia, które szybko się chłodzą i ulegają przemianie, podczas gdy otaczający materiał pozostaje cieplejszy i silniej ogranicza odkształcenia.

Podczas projektowania obróbki cieplnej należy zatem uwzględnić wielkość, rozstaw, głębokość i orientację otworów. Jeżeli dokładność wymiarowa ma znaczenie krytyczne, należy unikać umieszczania małego otworu obok ciężkiego nadlewu lub ostrego wewnętrznego uskoku, chyba że oceniono wynikające z tego miejscowe naprężenia i odkształcenia. Układ otworów powinien być w miarę możliwości funkcjonalnych symetryczny. W przypadku komponentów nawęglanych lub azotowanych określona głębokość warstwy wierzchniej oraz nieprzemieniony rdzeń tworzą dodatkowe wzajemne oddziaływanie geometrii i naprężeń własnych.

Krawędzie i naroża mają duży stosunek powierzchni do objętości i często chłodzą się wcześniej niż rozległe powierzchnie. Ostre naroże zewnętrzne może uzyskać stromy gradient temperatury od krawędzi w kierunku wnętrza. Naroże wewnętrzne może jednocześnie zatrzymywać ciepło, ograniczać przepływ ośrodka chłodzącego i koncentrować naprężenia. W rezultacie naroże może ulegać przemianie w innym czasie niż każda z przylegających powierzchni. Ostre krawędzie mają również mniejszą ilość materiału zdolnego do rozłożenia odkształcenia, co przy intensywnym hartowaniu zwiększa prawdopodobieństwo miejscowego odkształcenia plastycznego i pękania.

Duże promienie zaokrągleń i fazowania zmniejszają zarówno nieciągłość cieplną, jak i koncentrację naprężeń mechanicznych. Należy je dobierać z uwzględnieniem wymagań dotyczących obróbki skrawaniem, zmęczenia, powłok i hartowania; promień wystarczający z punktu widzenia obróbki skrawaniem może być nadal zbyt mały dla intensywnego hartowania. *International Journal of Materials and Product Technology* wskazuje nierównomierne gradienty cieplne jako główne źródło odkształceń hartowniczych, natomiast Worcester Polytechnic Institute opisuje to zjawisko jako sprzężenie wymiany ciepła, przemiany fazowej, naprężenia, odkształcenia i zmian mikrostruktury. Projektowanie komponentu nie może rozdzielić tych zdarzeń. Może jednak ograniczyć skrajność ich wzajemnego oddziaływania. U.S. Department of Energy i University of Iowa również wiążą naprężenia cieplne i własne w odlewach stalowych z odkształceniami, pękaniem, poprawkami, naprawami spawalniczymi, błędami wymiarowymi i obniżeniem właściwości użytkowych. Historia odlewania, w tym wcześniejsze cykle cieplne i miejscowe warunki krzepnięcia, musi zostać uwzględniona przy prognozowaniu wymiarów końcowych i naprężeń własnych.

## 8. Profile naprężeń własnych po hartowaniu

Hartowanie nie pozostawia w elemencie stalowym jednej wartości naprężenia własnego. Pozostawia trójwymiarowe pole naprężeń, które zmienia się od powierzchni do rdzenia, wokół naroży, wzdłuż zmian grubości przekroju oraz w pobliżu otworów, rowków wpustowych, zaokrągleń i powierzchni przerywanych. Ostateczny profil wynika ze współzawodnictwa skurczu cieplnego, odkształcenia przemiany fazowej, ograniczenia sprężystego oraz lokalnego płynięcia plastycznego. ASM International rozdziela te składniki na naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i umocnieniowego, chociaż mechanizmy te wzajemnie na siebie oddziałują podczas tego samego cyklu nagrzewania i chłodzenia ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM International")).

Naprężenia własne i odkształcenie są ze sobą powiązane, ale nie są pojęciami tożsamymi. Element może zachować znaczne naprężenia, wykazując jednocześnie niewielką zmianę wymiarów, ponieważ przeciwne odkształcenia wzajemnie się równoważą. Z drugiej strony umiarkowane pole naprężeń może spowodować wyraźne wygięcie, gdy obróbka skrawaniem, szlifowanie lub obciążenie eksploatacyjne usunie ograniczenie, które wcześniej stabilizowało pierwotny kształt.

![Schematyczny profil naprężeń własnych w przekroju hartowanego walca stalowego](/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 "Powiększ obraz — Schematyczny profil naprężeń własnych w przekroju hartowanego walca stalowego")A quenched section can contain balancing compressive and tensile regions from surface to core.

### Rozkład naprężeń na powierzchni i w rdzeniu

Oznaki naprężeń szczątkowych zależą od sekwencji, a nie wyłącznie od samego słowa „hartowanie”.
| Sekwencja chłodzenia i przemiany | Możliwy końcowy rozkład naprężeń | Ważne zmienne |
|---|---|---|
| Powierzchnia kurczy się jako pierwsza; rdzeń pozostaje gorący | Na powierzchni mogą wcześnie powstać naprężenia rozciągające | Gradient chłodzenia i uplastycznienie w wysokiej temperaturze |
| Rdzeń kurczy się lub przemienia później | Mogą pozostać ściskanie powierzchni i rozciąganie rdzenia | Czas przemiany i ograniczenie swobody odkształcenia |
| Nierównomierne chłodzenie wokół elementu | Mieszane lokalne obszary rozciągane i ściskane | Geometria, dostęp czynnika chłodzącego i grubość przekroju |

Znany układ, w którym powierzchnia hartowanej stali znajduje się w stanie ściskania, a rdzeń w stanie rozciągania, jest częsty, lecz nie stanowi reguły uniwersalnej. We wczesnym etapie hartowania powierzchnia stygnie i kurczy się, podczas gdy cieplejsze wnętrze ogranicza ten skurcz. Powierzchnia może zatem znaleźć się w stanie naprężenia rozciągającego, niekiedy przekraczającego granicę plastyczności, podczas gdy rdzeń zostaje poddany ściskaniu. W miarę postępu chłodzenia rdzeń kurczy się i może ulegać przemianie po znacznym ochłodzeniu powierzchni. Wówczas rozkład naprężeń może się odwrócić, pozostawiając powierzchnię w stanie ściskania, a wnętrze w stanie rozciągania.

Przemiana martenzytyczna komplikuje ten przebieg. Austenit rozszerza się podczas przemiany w martenzyt, przy czym wielkość rozszerzenia zależy od zawartości węgla, składu stopowego, temperatury przemiany oraz udziału fazy, która uległa przemianie. Jeżeli powierzchnia przemienia się jako pierwsza, jej rozszerzenie jest ograniczane przez chłodniejszy lub wciąż austenityczny materiał znajdujący się pod nią. Jeżeli rdzeń przemienia się później, jego rozszerzenie może zmienić stan naprężeń już ukształtowany na powierzchni. Bainit, perlit, martenzyt i austenit szczątkowy wnoszą różne odkształcenia przemianowe. Powierzchnia, która chłodzi się dostatecznie szybko, aby utworzyć martenzyt, może zatem mieć inny profil naprężeń niż rdzeń, w którym powstaje bainit lub struktura mieszana.

Położenie strefy naprężeń rozciągających ma znaczenie, ponieważ rozciąganie powierzchni jest silnie związane z inicjacją pęknięć, natomiast ściskające naprężenia powierzchniowe mogą opóźniać otwieranie pęknięć zmęczeniowych. Strefa rozciągania może jednak znajdować się pod warstwą powierzchniową poddaną ściskaniu, a pomiar powierzchniowy nie ujawni jej obecności. Dyfrakcja rentgenowska zwykle obejmuje jedynie płytką objętość w pobliżu powierzchni; wynik opisuje tę warstwę, a nie cały element. Dyfrakcja neutronowa, metody synchrotronowe, rozcinanie, metoda otworu oraz profile wyznaczone modelowo mogą dostarczać informacji z większej głębokości, lecz każda z tych metod ma własną rozdzielczość i własne założenia.

Geometria zmienia ten rozkład. Cienkie żebro może chłodzić się i przemieniać niemal w całym przekroju, podczas gdy gruba piasta, wrąb zęba lub kołnierz dłużej zachowują gorące wnętrze. Naroża i krawędzie tracą ciepło przez więcej niż jedną powierzchnię i mogą przemieniać się wcześniej niż przylegający materiał. Ostra zmiana grubości przekroju może zatem koncentrować zarówno gradienty cieplne, jak i niedopasowanie przemian. Omówienie opublikowane w 2005 roku w *International Journal of Materials and Product Technology* wskazuje niejednorodne gradienty cieplne jako główne źródło odkształceń po hartowaniu ([Część I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "Część I")).

Temperatura czynnika chłodzącego, intensywność jego mieszania, lepkość, zwilżalność oraz lokalny przepływ decydują o szybkości odprowadzania ciepła z poszczególnych powierzchni. Olej, woda, roztwór polimeru, stopiona sól i gaz zapewniają różne przebiegi wymiany ciepła. Nawet w jednym zbiorniku powierzchnia zasłonięta może chłodzić się wolniej niż powierzchnia odsłonięta. Z tego względu przegląd opublikowany w 2022 roku w *Journal of Materials Engineering and Performance* traktuje wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór czynnika chłodzącego i intensywność hartowania jako wzajemnie oddziałujące zmienne, a nie niezależne parametry sterujące ([Przegląd z 2022 roku](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "Przegląd z 2022 roku")).

### Samorównowaga i redystrybucja naprężeń

Swobodny element nie może po ochłodzeniu zachowywać niezrównoważonej wypadkowej siły ani momentu. Naprężenia własne muszą spełniać warunek samorównowagi w całym elemencie: strefy rozciągania i ściskania muszą równoważyć się siłowo, a ich rozkład musi również równoważyć momenty zginające. Nie oznacza to, że każde naprężenie lokalne jest niewielkie. Oznacza to, że warstwa o wysokich naprężeniach rozciągających wymaga kompensującego ściskania w innym miejscu albo że kompletnemu trójwymiarowemu polu towarzyszą naprężenia równoważące w innym kierunku.

Usunięcie materiału zmienia tę równowagę. W opracowaniu *Metallurgy of Heat Treatment*, zarchiwizowanym przez National Institute of Standards and Technology, stwierdzono, że nieusunięte naprężenia po hartowaniu mogą powodować odkształcenia podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usuwanie materiału narusza równowagę naprężeń własnych ([Archiwum danych materiałowych NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "Archiwum danych materiałowych NIST")). Pierścień może rozewrzeć się po wytaczaniu, płyta może wygiąć się po sfrezowaniu jednej powierzchni, a zahartowane koło zębate może zmienić kształt podczas szlifowania wykańczającego. Nie są to nowe naprężenia wytworzone wyłącznie przez obrabiarkę. Są one widocznym skutkiem uwolnienia istniejącego pola naprężeń.

Mikroskalowe odkształcenie plastyczne ma zasadnicze znaczenie dla tej redystrybucji. Ziarna i pakiety nie przemieniają się wszystkie w tym samym czasie ani w ten sam sposób. Różnice w orientacji krystalograficznej, lokalnej zawartości węgla, strukturze ziaren wcześniejszego austenitu oraz ograniczenia wywierane przez sąsiednie fazy powodują powstawanie niewielkich odkształceń plastycznych. Artykuł w części II *International Journal of Materials and Product Technology* przypisuje naprężenia własne w hartowanej stali częściowo temu mikroskalowemu odkształceniu plastycznemu i wiąże ten wynik z warunkami chłodzenia, utwardzaniem powierzchniowym i warstwy wierzchniej oraz szlifowaniem końcowym ([Część II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "Część II")). Odpuszczanie może zmniejszać naprężenia, umożliwiając zdrowienie i ograniczone dostosowanie strukturalne, lecz nie gwarantuje uzyskania elementu pozbawionego naprężeń.

### Hartowanie na wskroś a utwardzanie powierzchniowe i warstwy wierzchniej

Hartowanie na wskroś zwykle tworzy pole naprężeń obejmujące większą część lub cały przekrój, pod warunkiem że przekrój jest dostatecznie mały, a stal ma wystarczającą hartowność. Gatunek niskostopowy, taki jak AISI 1045, może tworzyć martenzyt w pobliżu powierzchni, zachowując jednocześnie w kierunku środka grubego przekroju bardziej miękkie produkty przemiany. Gatunek o większej hartowności, taki jak AISI 4140, może podczas tego samego nominalnego hartowania ulegać przemianie na większej głębokości, zmieniając zarówno profil twardości, jak i rozkład odkształceń przemianowych. Powstały profil naprężeń własnych zależy od rzeczywistego przekroju, sposobu austenityzowania, mikrostruktury wyjściowej i intensywności hartowania, a nie wyłącznie od oznaczenia gatunku.

Utwardzanie powierzchniowe tworzy wyraźniejszy kontrast materiałowy. Hartowanie indukcyjne szybko nagrzewa warstwę powierzchniową, podczas gdy nawęglanie wzbogaca węgłem austenit w pobliżu powierzchni przed hartowaniem; azotowanie tworzy twardą warstwę związków lub warstwę dyfuzyjną bez takiego samego przebiegu przemiany w objętości materiału jak w przypadku nawęglania. W stali nawęglanej wysokowęglowa warstwa wierzchnia może przemieniać się w niższej temperaturze i zachowywać pewną ilość austenitu, podczas gdy niskowęglowy rdzeń przemienia się inaczej. Rozszerzenie warstwy wierzchniej, ograniczenie przez rdzeń, austenit szczątkowy i lokalna plastyczność mogą pozostawić warstwę wierzchnią w stanie ściskania, rozciągania lub w stanie mieszanym, zależnie od czasu przebiegu i warunków procesu. Z punktu widzenia naprężeń utwardzanie powierzchniowe nie oznacza zatem po prostu „twarde na zewnątrz, miękkie wewnątrz”.

Jednorodność hartowania ma szczególne znaczenie w przypadku kół zębatych, wałów i elementów łożyskowych utwardzanych warstwowo. Nierównomierne chłodzenie wzdłuż obwodu może powodować asymetryczne odkształcenie przemianowe i zginanie, nawet gdy nominalna grubość warstwy wierzchniej jest stała. Szlifowanie końcowe może dodatkowo zmieniać stan naprężeń powierzchniowych wskutek oddziaływania cieplnego i mechanicznego; nadmierne szlifowanie może wprowadzać naprężenia rozciągające lub uwalniać równowagę ściskającą ustanowioną podczas hartowania.

Publikacja ASM *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* wskazuje minimalizację odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowania obróbki cieplnej ([ASM International](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM International")). Kryterium to wymaga myślenia w kategoriach profilu. U.S. Department of Energy wiąże naprężenia cieplne i własne w odlewach stalowych z odkształceniami, pękaniem, poprawkami, naprawami spawalniczymi, błędami wymiarowymi i pogorszeniem właściwości eksploatacyjnych ([Raport DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "Raport DOE")). Historia odlewania, jak podkreślono w pracach University of Iowa, może również wpływać na strukturę wyjściową i pole naprężeń. Dlatego w raporcie Worcester Polytechnic Institute odkształcenia po hartowaniu traktuje się jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenia, odkształcenia i ewolucję mikrostruktury ([Raport WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "Raport WPI")). Odczyt z powierzchni jest tylko jedną obserwacją. Zachowanie elementu wynika z całego profilu.

## 9. Odpuszczanie, odprężanie i późniejsza obróbka cieplna

### Co zmienia odpuszczanie i czego nie może zagwarantować

Odpuszczanie jest kontrolowaną obróbką polegającą na ponownym nagrzaniu po hartowaniu, zwykle do temperatury niższej od dolnej temperatury krytycznej Ac⁢1. Jego bezpośrednim celem jest modyfikacja martenzytu w stanie po hartowaniu: następuje redystrybucja węgla, tworzą się węgliki przejściowe lub cementyt, a przesycona sieć martenzytyczna częściowo traci tetragonalne zniekształcenie. Wraz ze wzrostem temperatury i czasu odpuszczania twardość na ogół maleje, natomiast poprawiają się udarność i stabilność wymiarowa. Przebieg tego procesu zależy od składu chemicznego stopu, wcześniejszego procesu austenityzowania, wielkości przekroju, szybkości chłodzenia oraz udziału austenitu szczątkowego.

#### Ograniczenia odpuszczania

Odpuszczanie może zmniejszyć część naprężeń i poprawić stabilność wymiarową, lecz nie może odwrócić każdej zmiany kształtu spowodowanej nierównomiernym chłodzeniem, odkształceniem przemianowym lub lokalnym uplastycznieniem.

Odpuszczanie zmienia zatem zarówno właściwości mechaniczne, jak i naprężenia własne, ale nie jest uniwersalnym sposobem usuwania odkształceń. Element, który po hartowaniu jest wygięty, skręcony lub owalny, może zachować ten kształt również po odpuszczaniu. Odpuszczanie może zmniejszyć część naprężeń sprężystych i umożliwić ograniczone dostosowanie plastyczne, nie jest jednak w stanie odwrócić każdej zmiany kształtu powstałej wskutek nierównomiernego chłodzenia, odkształcenia przemiany lub lokalnego uplastycznienia. Wał, w którym udział martenzytu różni się między powierzchnią a rdzeniem, może nadal zmieniać wymiary podczas odpuszczania; element nawęglany może reagować odmiennie w warstwie i rdzeniu; austenit szczątkowy może przemieniać się podczas odpuszczania lub późniejszej eksploatacji, powodując dodatkową zmianę objętości.

Rozróżnienie to jest zgodne z rozdziałem *Podręcznika ASM dotyczącym naprężeń własnych i odkształceń w stalach hartowanych i odpuszczanych*, w którym oddzielono naprężenia cieplne, naprężenia przemiany oraz naprężenia własne związane z hartowaniem, a jednocześnie wykazano, że działają one łącznie. W przeglądzie z 2022 roku autorów publikacji *Naprężenia własne i odkształcenia podczas hartowania objętościowego stali: przegląd zagadnienia*, opublikowanym w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance*, również potraktowano wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór chłodziwa oraz intensywność chłodzenia jako zmienne wzajemnie na siebie oddziałujące. Odpuszczanie nie może skompensować nieprawidłowego przebiegu hartowania, niewłaściwego oprzyrządowania ani nagłego przejścia przekroju.

Późniejsze oddziaływanie cieplne może spowodować dalsze zmiany wymiarowe. Drugie odpuszczanie, cykl odprężania, azotowanie, nawęglanie, hartowanie indukcyjne, lutowanie, spawanie lub końcowe szlifowanie mogą zmienić rozkład temperatury i równowagę faz. Martenzyt może ulec dalszemu odpuszczaniu, austenit szczątkowy może się przemienić, a wydzielanie węglików może zmienić lokalną objętość i granicę plastyczności. Wymiar końcowy jest w konsekwencji wynikiem historii procesu, a nie po prostu wymiarem zmierzonym po hartowaniu.

### Odprężanie cieplne

Odprężanie cieplne zmniejsza naprężenia własne przez nagrzanie stali do temperatury, w której może zachodzić lokalne płynięcie plastyczne i relaksacja zależna od czasu, bez zamierzonego austenityzowania całego elementu. Wybrana temperatura musi pozostawać zgodna z wymaganą twardością, udarnością, głębokością warstwy, tolerancją wymiarową i stanem metalurgicznym. Cyklu odprężania określonego dla znormalizowanej stali niskowęglowej nie można bez zmian zastosować do hartowanego i odpuszczanego narzędzia, nawęglanego koła zębatego ani elementu azotowanego.

W publikacji *Metalurgia obróbki cieplnej*, zachowanej w archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, wskazano obróbkę cieplną jako jedną z metod zmniejszania naprężeń własnych oraz ostrzeżono, że nieusunięte naprężenia po hartowaniu mogą powodować paczenie podczas obróbki skrawaniem. Mechanizm jest prosty: nagrzanie obniża granicę plastyczności, umożliwiając relaksację naprężeń zablokowanych wskutek niewielkich odkształceń plastycznych i płynięcia o charakterze pełzania. Następnie należy kontrolować chłodzenie. Jeżeli element zostanie nagrzany nierównomiernie, wygrzewany przez zbyt krótki czas lub chłodzony przy powstaniu nowej różnicy temperatur między powierzchnią a rdzeniem, obróbka może zastąpić jeden układ naprężeń innym.

Odprężanie nie gwarantuje również całkowitego wyeliminowania odkształceń. Silnie naprężony pierścień może zmienić okrągłość w miarę relaksacji pola naprężeń, mimo że obróbka zmniejszyła siłę napędową późniejszych zmian. Odlew może reagować w zależności od historii krzepnięcia, grubości przekroju, położenia nadlewu i wcześniejszych napraw spawalniczych. Raport U.S. Department of Energy dotyczący odlewów stalowych wiąże naprężenia powstające podczas nagrzewania i hartowania z odkształceniami, pękaniem, przeróbką, naprawami spawalniczymi, błędami wymiarowymi oraz obniżeniem parametrów eksploatacyjnych; badania prowadzone na University of Iowa również podkreślają, że historia odlewania powinna być uwzględniana w prognozowaniu wymiarów końcowych i naprężeń własnych.

Z tego względu odprężanie cieplne należy planować z uwzględnieniem pełnej sekwencji procesu. Zgrubna obróbka skrawaniem przed odprężaniem może usunąć naprężony materiał i ujawnić przemieszczenia; odprężanie przed obróbką zgrubną może ograniczyć to ryzyko, jednak sam cykl ponownego nagrzewania może spowodować zmianę wymiarów. Wszędzie tam, gdzie wymaga tego tolerancja, obróbka dokładna i szlifowanie powinny następować po końcowej obróbce metalurgicznej. Elementy utwardzane powierzchniowo i warstwowo wymagają szczególnej ostrożności, ponieważ warstwa, strefa przejściowa i rdzeń mają różny skład, różne temperatury przemian oraz odmienne warunki skrępowania.

### Mechaniczne odprężanie i prostowanie

Mechaniczne odprężanie zmienia kształt lub rozkład naprężeń przez przyłożenie siły, a nie głównie przez oddziaływanie temperatury. Prostowanie prasą, prostowanie rolkami, śrutowanie, wymiarowanie, kalibrowanie oraz kontrolowane odkształcenie na zimno mogą skorygować mierzalne ugięcie lub bicie. Metody te polegają na odkształceniu wybranych obszarów poza granicę sprężystości, tak aby po odprężeniu sprężystym i wystąpieniu odkształcenia plastycznego element znalazł się bliżej wymaganej geometrii.

Korekta ta nie eliminuje naprężeń. Prostowanie powoduje redystrybucję naprężeń własnych i może wprowadzić naprężenia rozciągające po jednej stronie przekroju, ściskające po drugiej albo lokalne uplastycznienie w pobliżu podpór i punktów styku. W stali hartowanej nadmierna siła może doprowadzić do pękania; w strukturze martenzytycznej o dużej wytrzymałości prostowanie na zimno może zmniejszyć odporność na pękanie. Prostowanie na gorąco zmniejsza wymaganą siłę, ale wprowadza cykl cieplny, który może odpuszczać martenzyt, zmieniać udział austenitu szczątkowego lub powodować powstanie nowego gradientu temperatury. Dopuszczalna metoda zależy zatem od gatunku stali, twardości, geometrii przekroju i wymagań dotyczących kontroli.

Korekta mechaniczna może również ukryć niestabilność elementu, zamiast usunąć jej przyczynę. Jeżeli późniejsza obróbka skrawaniem usunie naprężoną warstwę powierzchniową, skorygowany element może powrócić sprężyście do wcześniejszego kształtu lub przemieścić się w innym kierunku. W publikacji *Metalurgia obróbki cieplnej*, udostępnionej przez NIST, szczegółowo opisano paczenie podczas obróbki skrawaniem spowodowane zaburzeniem równowagi naprężeń własnych. Badania opublikowane w *International Journal of Materials and Product Technology* wiążą naprężenia własne w stali hartowanej z mikroskalowym odkształceniem plastycznym oraz z warunkami chłodzenia, hartowaniem powierzchniowym lub warstwowym i końcowym szlifowaniem.

Zasadna sekwencja polega zatem na ograniczeniu możliwych do uniknięcia naprężeń podczas austenityzowania i hartowania, szybkim odpuszczeniu, zastosowaniu w razie potrzeby zgodnej z materiałem cieplnej obróbki odprężającej, następnie na obróbce zgrubnej, pomiarze, prostowaniu wyłącznie w ramach kontrolowanej procedury oraz na obróbce dokładnej lub szlifowaniu po końcowym oddziaływaniu cieplnym. Worcester Polytechnic Institute opisuje odkształcenia po hartowaniu jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenia, odkształcenia i ewolucję mikrostruktury. Prostowanie i odprężanie należy oceniać w ramach tej samej sekwencji. Kontrolowane procesy zmniejszają ryzyko; nieprawidłowo kontrolowane ponowne nagrzewanie, przykładanie siły lub usuwanie materiału może doprowadzić do kolejnej zmiany wymiarowej.

## 10. Obróbka skrawaniem, szlifowanie i uwalnianie ukrytych naprężeń

Obróbka cieplna nie zawsze pozostawia część stalową z ostatecznie ustalonymi wymiarami. Hartowany i odpuszczany element może przejść wstępną kontrolę, a następnie odkształcić się podczas toczenia, frezowania, wiercenia lub szlifowania. Operacja skrawania niekoniecznie wytworzyła pierwotne odkształcenie. Mogła jedynie ujawnić nierównowagę naprężeń własnych, która istniała już po nagrzewaniu, hartowaniu, przemianie fazowej i odpuszczaniu.

ASM International dzieli naprężenia własne po obróbce cieplnej na składowe cieplne, przemianowe i związane z hartowaniem ([ASM Handbook, Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels](https://doi.org/10.31399/asm.hb.v04b.a0005936 "ASM Handbook, Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels")). Naprężenia te współistnieją ze zmianami wymiarów powodowanymi skurczem cieplnym, przemianą fazową i lokalnym odkształceniem plastycznym. W przeglądzie opublikowanym w 2022 roku w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance* opisano ten rezultat jako sprzężoną odpowiedź obejmującą wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór ośrodka chłodzącego i intensywność hartowania ([przegląd z 2022 roku](https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x "przegląd z 2022 roku")). Obróbka skrawaniem odbywa się po tej całej historii, a nie na pozbawionym naprężeń półfabrykacie.

### Dlaczego obróbka skrawaniem może ujawnić odkształcenia po obróbce cieplnej

Powierzchnia po obróbce skrawaniem może wyglądać poprawnie pod względem geometrycznym, podczas gdy w części nadal występują wewnętrzne naprężenia pozostające w stanie samorównowagi. Jeden obszar może znajdować się w stanie ściskania, a inny w stanie rozciągania, przy czym przeciwne siły i momenty równoważą się w całym elemencie. Równowaga może pozostać stabilna do chwili, gdy narzędzie usunie jeden z tych obszarów.

Jest to praktyczny mechanizm opisany w publikacji *Metallurgy of Heat Treatment*: niezniwelowane naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie się części podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usuwanie materiału narusza równowagę naprężeń własnych ([archiwum danych materiałowych NIST](https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf "archiwum danych materiałowych NIST")). Płyta, w której w pobliżu jednej powierzchni występują naprężenia rozciągające, a głębiej kompensujące je naprężenia ściskające, może się wygiąć po usunięciu naprężonej warstwy powierzchniowej. Pierścień może stać się owalny. Wał może zmienić prostoliniowość po usunięciu ekscentrycznej warstwy. Narzędzie zmieniło rozkład sił, a pozostały metal odkształca się do chwili osiągnięcia nowego stanu równowagi.

Zakres przemieszczenia zależy nie tylko od wartości naprężeń. Znaczenie mają również długość części, grubość ścianki, symetria, lokalna sztywność, zmiany przekroju oraz orientacja pola naprężeń własnych. Gruby kołnierz może ograniczać przemieszczenie, które byłoby wyraźne w cienkim żebrze. Wpust lub otwór poprzeczny może usunąć materiał z jednej strony i wprowadzić moment zginający. Warstwa nawęglana lub azotowana może mieć inny profil naprężeń i twardości niż rdzeń, dlatego skrawanie przez tę warstwę zmienia zarówno równowagę mechaniczną, jak i lokalny przebieg przenoszenia obciążeń.

Znaczenie ma również historia obróbki cieplnej. W przeglądzie z 2022 roku oraz w raporcie Worcester Polytechnic Institute odkształcenie podczas hartowania opisano jako sprzężony rezultat wymiany ciepła, przemiany fazowej, naprężeń, odkształceń i ewolucji mikrostruktury ([raport WPI](https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/wp.wpi.edu/dist/3/125/files/2021/06/Distortion-and-Residual-Stress.pdf "raport WPI")). Z tego względu dwie nominalnie identyczne części mogą reagować odmiennie, jeśli różniły się wcześniejszym kuciem, odlewaniem, obróbką na zimno, strukturą ziaren, szybkością nagrzewania lub intensywnością mieszania ośrodka chłodzącego. U.S. Department of Energy podaje, że naprężenia cieplne i własne w odlewach stalowych mogą przyczyniać się do odkształceń, pękania, napraw, napraw spawalniczych, błędów wymiarowych i pogorszenia właściwości eksploatacyjnych ([raport DOE](https://www.osti.gov/servlets/purl/1216205 "raport DOE")). Historia odlewania nie zostaje wymazana przez późniejszą obróbkę skrawaniem.

### Usuwanie materiału i redystrybucja naprężeń

Naddatek na obróbkę zapewnia pewien margines dla tej niepewności, ale nie gwarantuje, że nie wystąpią przemieszczenia. Naddatek należy rozpatrywać wraz z przewidywanym profilem naprężeń oraz kolejnością, w której odsłaniane są poszczególne powierzchnie. Usunięcie dużej ilości materiału z jednej strony części poddanej obróbce cieplnej może uwolnić zginanie lub skręcanie; usuwanie porównywalnych ilości materiału z przeciwległych stron może zmniejszyć wypadkową nierównowagę, choć sama symetria nie zapewnia stabilności wymiarowej.

Z tego powodu stopniowe usuwanie materiału jest powszechnie traktowane jako koncepcja kontroli wymiarowej, a nie uniwersalna recepta. Obróbka zgrubna może usunąć większość naddatku, pozostawiając jednak wystarczającą ilość materiału, aby część mogła zareagować, a późniejsza operacja mogła skorygować jej położenie. Następnie kontrola pośrednia może wykryć przemieszczenie, zanim zostanie ustalona geometria końcowa. Jeśli obróbka zgrubna ujawni znaczne wygięcie lub bicie, bezpośrednie kontynuowanie obróbki do wymiaru końcowego może po prostu odtworzyć błąd, pozostawiając mniejszą możliwość późniejszej korekty.

Strategia bazowania musi uwzględniać funkcjonalną geometrię części oraz zmieniający się stan naprężeń. Oparcie każdej operacji na powierzchni, która przemieściła się podczas obróbki zgrubnej, może przenieść odkształcenie na późniejsze elementy. Z kolei zmiana baz bez kontrolowania wzajemnej zależności między nimi może doprowadzić do innej postaci narastania błędu. W przypadku wału wybrana oś, czopy łożyskowe i powierzchnie czołowe mogą wymagać wzajemnego powiązania na podstawie kontroli pomiarowej, zamiast przyjmowania, że pozostają nieruchome. W przypadku płyty po obróbce zgrubnej i odprężeniu może być konieczna ponowna ocena powierzchni bazowej.

Kontrola po obróbce zgrubnej jest zatem elementem logiki procesu, a nie jedynie końcową kontrolą jakości. Prostoliniowość, płaskość, okrągłość, równoległość, bicie oraz położenie krytycznych elementów mogą zmieniać się między obróbką zgrubną, obróbką odprężającą, obróbką półwykańczającą i wykańczającą. ASM wskazuje „minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych” jako jedno z podstawowych kryteriów projektowania obróbki cieplnej stali ([ASM Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel](https://doi.org/10.31399/asm.hb.mhde2.a0003195 "ASM Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel")); praktyka obróbki skrawaniem nie jest w stanie skompensować każdego niewłaściwego stanu obróbki cieplnej.

Operacja odprężania może ograniczyć przemieszczenia, jednak jej temperatura i czas trwania muszą być zgodne z gatunkiem stali, wymaganą twardością, stanem odpuszczenia oraz obróbką powierzchniową. Mechaniczne odprężanie również może zmieniać wymiary. Nie należy zakładać, że którakolwiek z tych metod usunie wszystkie naprężenia własne.

### Naprężenia podczas szlifowania i integralność powierzchni

Objętościowe naprężenie szczątkowe **Objętościowe naprężenie szczątkowe** Naprężenie szczątkowe rozłożone na znacznej głębokości lub w znacznej objętości elementu, a nie ograniczone do płytkiej warstwy powierzchniowej.

Szlifowanie stanowi odrębny problem, ponieważ jego skutki koncentrują się w pobliżu powierzchni. Naprężenia własne w objętości materiału oznaczają naprężenia rozłożone w znacznej części przekroju, zdolne do wywołania globalnego zginania, skręcania lub zmiany kształtu po usunięciu materiału. Naprężenia wywołane szlifowaniem są często płytkim efektem powierzchniowym powstającym wskutek odkształcenia mechanicznego i działania ciepła. Oba rodzaje naprężeń mogą występować jednocześnie, ale nie są wzajemnie zamienne.

W przeglądzie opublikowanym w *International Journal of Materials and Product Technology* naprężenia własne w stali hartowanej przypisano mikroskopowemu odkształceniu plastycznemu oraz omówiono wpływ warunków chłodzenia, utwardzania powierzchniowego i warstwowego, a także końcowego szlifowania ([część I](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941 "część I"); [część II](https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942 "część II")). Szlifowanie może wywoływać naprężenia rozciągające wskutek miejscowego nagrzewania, po którym następuje szybkie chłodzenie, albo naprężenia ściskające wskutek intensywnego tarcia mechanicznego i płynięcia plastycznego. Znak i głębokość tych naprężeń zależą od specyfikacji ściernicy, warunków kontaktu, sposobu doprowadzania chłodziwa, ilości usuwanego materiału oraz twardości i mikrostruktury stali.

Nadmierne ciepło podczas szlifowania może uszkodzić stan odpuszczenia, spowodować przypalenia szlifierskie, zmiękczenie wybranych obszarów albo doprowadzić do ponownego zahartowania i powstania nieodpuszczonego martenzytu. Zmiany te mogą nie powodować wyraźnego natychmiastowego paczenia, a jednak mogą obniżyć trwałość zmęczeniową lub wywołać późniejsze zmiany wymiarów. Pęknięcia powierzchniowe są szczególnie niebezpieczne, gdy warstwa rozciągających naprężeń własnych współdziała z cyklicznym obciążeniem eksploatacyjnym.

Omówienie końcowego szlifowania w części II ma kluczowe znaczenie dla kontroli wymiarowej: ostatnia operacja usuwa niewielką ilość materiału, ale kształtuje powierzchnię funkcjonalną i nadal może zmienić jej stan naprężeń. Końcowe szlifowanie należy zatem traktować jako kontrolowany etap obróbki wykańczającej, po którym trzeba skontrolować geometrię i integralność powierzchni. Część, która przed szlifowaniem spełniała wymagania wymiarowe, nie musi być jeszcze w stanie końcowym. Powierzchnię końcową, znajdującą się pod nią strukturę po obróbce cieplnej oraz pole naprężeń należy rozpatrywać łącznie.

## 11. Pękanie, prace poprawkowe i konsekwencje eksploatacyjne

Obróbka cieplna może pozostawić w elemencie stalowym zarówno błąd wymiarowy, jak i pole naprężeń własnych. Zjawiska te są ze sobą związane, ale nie są tym samym. Odkształcenie opisuje zmianę kształtu lub wymiaru, natomiast naprężenia szczątkowe oznaczają samorównoważące się naprężenia pozostające po usunięciu zewnętrznego obciążenia cieplnego lub mechanicznego. Część może wyglądać na całkowicie prostą, a mimo to zawierać szkodliwe naprężenia rozciągające, podczas gdy inna może być odkształcona, lecz wykazywać rozkład naprężeń szczątkowych, który nie powoduje bezpośrednio krytycznego zagrożenia pękaniem.

Rozróżnienie to ma znaczenie w przypadku odlewów stalowych, ponieważ ogrzewanie, chłodzenie, przebieg krzepnięcia, obróbka skrawaniem, spawanie i obciążenia eksploatacyjne wpływają na stan końcowy. ASM International wyróżnia naprężenia szczątkowe pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki występujące w stalach ulepszanych cieplnie. Przegląd opublikowany w 2022 roku przez Tottena i współautorów w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance* również opisuje odkształcenie jako wynik wzajemnego oddziaływania wymiany ciepła, przemian fazowych, geometrii, grubości przekroju, doboru czynnika chłodzącego i intensywności chłodzenia. Żadna pojedyncza „naprężenie hartownicze” nie wyjaśnia każdego uszkodzenia.

### Kiedy naprężenia szczątkowe stają się siłą napędową pękania

Naprężenia szczątkowe stają się siłą napędową pękania, gdy naprężenie rozciągające koncentruje się przy nieciągłości lub ostrym elemencie geometrycznym i zwiększa lokalny współczynnik intensywności naprężeń albo tempo uwalniania energii. Naprężenia zmagazynowane nie muszą mieć dużej wartości w całym elemencie. Pora odlewnicza, błonka tlenkowa, jama skurczowa, wtrącenie niemetaliczne, obszar braku wtopienia, ślad obróbki skrawaniem, rowek wpustowy lub nagła zmiana przekroju mogą wzmacniać lokalne pole naprężeń rozciągających. Przyłożone obciążenie rozciągające nakłada się następnie na to pole. Element, który przejdzie kontrolę i obróbkę cieplną bez widocznych problemów, może pęknąć później, gdy obciążenia cykliczne, drgania, ciśnienie lub cykle cieplne dostarczą pozostałej części siły napędowej.

Ta sama interakcja występuje w przypadku pękania wspomaganego przez wodór. Wodór może zmniejszać siłę spójności i sprzyjać lokalizacji odkształcenia plastycznego, natomiast szczątkowe naprężenia rozciągające ułatwiają otwieranie pęknięcia lub podtrzymują jego propagację. Stale martenzytyczne o wysokiej wytrzymałości, powierzchnie hartowane, obszary oddziaływania cieplnego spawania oraz elementy galwanizowane lub narażone na działanie czynników chemicznych są zatem wrażliwe na taki stan złożony, a nie na same naprężenia szczątkowe. Warstwa ściskająca na powierzchni może opóźnić otwieranie pęknięcia, lecz naprężenia rozciągające pod powierzchnią, uszkodzenia szlifierskie lub istniejąca wcześniej nieciągłość nadal mogą decydować o uszkodzeniu.

Temperatura zmienia równowagę tych czynników. W podwyższonej temperaturze eksploatacji relaksacja naprężeń i pełzanie mogą zmniejszyć część naprężeń szczątkowych, lecz różnice rozszerzalności cieplnej mogą powodować powstawanie nowych naprężeń, a utlenianie lub degradacja mikrostruktury mogą osłabiać przekrój. W niskiej temperaturze zmniejszona ciągliwość może sprawić, że nieciągłość stanie się bardziej niebezpieczna, nawet jeśli naprężenia szczątkowe nie wzrosły. Przemiana zachodząca podczas eksploatacji może również zmieniać objętość i sztywność. Raport U.S. Department of Energy dotyczący odlewów stalowych wiąże naprężenia cieplne i szczątkowe powstające podczas nagrzewania i hartowania z pękaniem, odkształceniami, pracami poprawkowymi, naprawami spawalniczymi i obniżeniem właściwości eksploatacyjnych; praktyczny wniosek jest taki, że kontrola i projektowanie muszą uwzględniać wzajemne oddziaływanie naprężeń, nieciągłości i warunków eksploatacji.

Naprężenia szczątkowe mogą stać się niebezpieczne również podczas wykańczania. *Metallurgy of Heat Treatment*, dostępna za pośrednictwem archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, wskazuje, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usuwanie materiału zakłóca pierwotną równowagę naprężeń. Usunięcie materiału z jednej strony przekroju może doprowadzić do nierównomiernego uwolnienia naprężeń rozciągających lub ściskających. Pęknięcie może wówczas pojawić się przy nowo odsłoniętej nieciągłości, jednak sama obróbka skrawaniem nie musiała wytworzyć pierwotnego pola naprężeń.

### Odkształcenia, naprawy spawalnicze i prace poprawkowe

Odkształcenia często prowadzą do prac poprawkowych, zanim spowodują pęknięcie. Odkształcony odlew może nie przejść kontroli wymiarowej, nie pasować prawidłowo do współpracującej części, przekraczać naddatek na obróbkę skrawaniem lub tworzyć nierówną powierzchnię uszczelniającą. W dalszej kolejności mogą być stosowane prostowanie, miejscowe nagrzewanie, dodatkowa obróbka skrawaniem, śrutowanie, odprężanie lub naprawa spawalnicza. Każda z tych operacji ponownie zmienia historię cieplną i mechaniczną elementu.

Naprawa spawalnicza nie jest neutralną korektą. Spawanie wprowadza małe, intensywne źródło ciepła obok relatywnie zimnej stali, powodując powstanie nowego gradientu cieplnego, strefy wpływu ciepła, skurczu podczas chłodzenia oraz potencjalnie twardych i kruchych mikrostruktur. Jeżeli odlew zawiera już naprężenia hartownicze, spoina naprawcza może nałożyć naprężenia rozciągające na obszar zawierający porowatość, wtrącenia, wady skurczowe lub wcześniejsze pęknięcia. Dlatego kontrola wodoru, temperatura podgrzewania wstępnego, temperatura międzyściegowa, dobór materiału dodatkowego, obróbka cieplna po spawaniu i kontrola mają znaczenie równie duże jak widoczny kształt spoiny.

Wyniki badań Department of Energy oraz prace University of Iowa dotyczące odlewów stalowych są istotne, ponieważ wiążą końcową dokładność wymiarową z historią odlewania. Kolejność krzepnięcia, lokalna grubość przekroju, układ zasilania, ograniczenia chłodzenia, wcześniejsze cykle cieplne i późniejsza obróbka cieplna wpływają zarówno na początkowe pole naprężeń, jak i na reakcję elementu na dalsze przetwarzanie. Prognoza oparta wyłącznie na końcowym hartowaniu nie może uwzględnić naprężeń odziedziczonych po procesie odlewania. Raport University of Iowa wyraźnie podkreśla konieczność uwzględniania historii odlewania przy prognozowaniu końcowych wymiarów i naprężeń szczątkowych.

Prace poprawkowe mogą ujawnić drugi problem: element może zostać doprowadzony do wymiarów mieszczących się w tolerancji rysunkowej, a jednocześnie zachować niekorzystny stan naprężeń. Intensywne szlifowanie może usunąć ściskającą warstwę powierzchniową i odsłonić leżący pod nią materiał poddany rozciąganiu. Wielokrotne miejscowe prostowanie może powodować odkształcenia plastyczne i zmniejszać rezerwę zmęczeniową. Z drugiej strony kontrolowane odprężanie może zmniejszyć ryzyko odkształceń, lecz nadmierne lub niewłaściwie kontrolowane nagrzewanie może zmienić twardość, stan odpuszczenia, głębokość warstwy nawęglonej, warstwy azotowane lub pasowanie wymiarowe. Dlatego ASM w publikacji *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* traktuje ograniczanie odkształceń i niepożądanych naprężeń szczątkowych jako podstawowe kryteria projektowe, a nie jako problemy kontrolne, które należy korygować na końcu procesu.

### Zmiana wymiarów podczas eksploatacji

Element nie musi pęknąć, aby utracić zdolność prawidłowego spełniania swojej funkcji. Niestabilność wymiarowa może zmienić napięcie wstępne łożyska, luz międzyzębny, współosiowość wału, luz zaworu, docisk uszczelki lub nacisk kontaktowy. W precyzyjnym zespole niewielkie przemieszczenie może powodować tarcie, nieszczelność, nierównomierne przenoszenie obciążenia lub przyspieszone zużycie. Część pozostaje wówczas nienaruszona pod względem strukturalnym, lecz jej właściwości eksploatacyjne ulegają pogorszeniu.

Do takiego przemieszczenia może prowadzić kilka mechanizmów. Naprężenia szczątkowe mogą relaksować się podczas eksploatacji, umożliwiając sprężysty powrót lub plastyczną redystrybucję. Austenit szczątkowy może przemienić się w martenzyt, powodując rozszerzenie; odpuszczanie może zmniejszać objętość i twardość martenzytu; natomiast cykle cieplne mogą wielokrotnie ujawniać różnice między warstwą wierzchnią a rdzeniem. Przekroje nawęglane, azotowane, hartowane indukcyjnie i hartowane na wskroś nie reagują identycznie, ponieważ różnią się gradientami składu, twardości, temperatury przemiany i naprężeń szczątkowych.

Końcowe szlifowanie również może mieć znaczenie po obróbce cieplnej. Badania opublikowane w *International Journal of Materials and Product Technology* wskazują niejednorodne gradienty hartowania jako główne źródło odkształceń oraz wiążą naprężenia szczątkowe z mikroskalowym odkształceniem plastycznym, warunkami chłodzenia, utwardzaniem powierzchniowym i warstwowym oraz końcowym szlifowaniem. Raport Worcester Polytechnic Institute przedstawia ten sam problem jako sprzężenie wymiany ciepła, przemian fazowych, naprężeń, odkształceń i zmian mikrostruktury. Kwalifikacja do eksploatacji musi zatem obejmować zarówno pełzanie wymiarowe, jak i inicjację pęknięć. Prosty, wolny od pęknięć element w chwili wysyłki nie musi być stabilnym elementem podczas pracy.

## 12. Pomiar Odkształceń i Naprężeń Szczątkowych

Kontrola po Obróbce Cieplnej powinna łączyć dwa różne rodzaje zapisów: mapę wymiarową pokazującą, jak przemieścił się element, oraz charakterystykę naprężeń wskazującą, jaka nierównowaga sprężysta lub plastyczna pozostała w jego wnętrzu. Odkształcenie jest zmianą kształtu lub rozmiaru. Naprężenie szczątkowe jest samorównoważącym się polem naprężeń, które pozostaje po zaniknięciu obciążeń zewnętrznych i gradientów temperatury. Zjawiska te są ze sobą sprzężone, ale nie są wzajemnie wymienne. Część może spełniać wymagania tolerancji wymiarowej, a jednocześnie zawierać naprężenia rozciągające, które później powodują pękanie, przemieszczenia podczas obróbki skrawaniem lub uszkodzenia zmęczeniowe. Z kolei widocznie odkształcona część mogła ulec znacznemu odkształceniu przemianowemu, nawet po odprężeniu znacznej części naprężeń szczątkowych.

ASM International wyróżnia naprężenia szczątkowe pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki występujące w stalach hartowanych i odpuszczanych. W przeglądzie z 2022 roku, którego autorzy są również autorami artykułu *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* opublikowanego w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance*, opisano wynik jako wzajemne oddziaływanie wymiany ciepła, przemiany fazowej, geometrii, grubości przekroju, doboru środka chłodzącego i intensywności chłodzenia (doi:10.1007/s11665-022-06667-x). Pomiar musi zatem zachowywać wystarczającą ilość informacji o części i jej historii cieplnej, aby umożliwić odróżnienie miejscowej wady wymiarowej od reakcji całego procesu.

![Współrzędnościowa maszyna pomiarowa kontrolująca wał ze stali po obróbce cieplnej](/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 "Powiększ obraz — Współrzędnościowa maszyna pomiarowa kontrolująca wał ze stali po obróbce cieplnej")Dimensional inspection records the visible result of the heat-treatment history.

### Kontrola wymiarowa i wybór baz odniesienia

#### Sekwencja kontroli

1. **Stan bazowy** Zmierz i zarejestruj niepoddany obróbce element, jego orientację, stan materiału oraz bazy pomiarowe.
2. **Pomiar po obróbce** Porównaj wymiary po hartowaniu i odpuszczaniu, stosując tę samą strategię bazowania.
3. **Pomiar na etapie obróbki skrawaniem** Przeprowadź kontrolę po obróbce zgrubnej oraz po znacznym usunięciu naddatku, aby zidentyfikować uwolnienie naprężeń.
4. **Charakteryzacja naprężeń** Zastosuj metodę, której głębokość i kierunek odpowiadają podejrzewanemu gradientowi naprężeń.

Rzetelna kontrola wymiarowa rozpoczyna się przed nagrzewaniem. Element w stanie nieobrobionym cieplnie należy zmierzyć, oznakować i sfotografować, zapisując jego stan materiałowy oraz orientację. Przydatna dokumentacja obejmuje oznaczenie stali, numer partii lub wytopu, wcześniejszy stan obróbki skrawaniem, Obróbkę Powierzchniową, orientację w przyrządzie, cykl pracy pieca, czas transportu, temperaturę i intensywność mieszania środka chłodzącego, cykl odpuszczania oraz czas od zakończenia Obróbki Cieplnej do kontroli. Archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, w publikacji *Metallurgy of Heat Treatment*, ostrzega, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie podczas obróbki skrawaniem, ponieważ usuwanie materiału zmienia równowagę naprężeń szczątkowych. Zapis stanu „przed” nie jest zatem opcjonalny, jeżeli po hartowaniu następuje końcowe szlifowanie lub zgrubna obróbka skrawaniem.

Wybór baz odniesienia określa znaczenie każdego późniejszego wyniku. Bazy powinny być powiązane z powierzchniami funkcjonalnymi lub stabilnymi cechami geometrycznymi, a nie po prostu z najwygodniejszą krawędzią. Duża powierzchnia może sama ulec wygięciu podczas hartowania; wykorzystanie jej jako idealnej płaszczyzny może ukryć to wygięcie, ponieważ wymusi dopasowanie układu współrzędnych do wady. W przypadku wału przedobróbkowa oś obrotu, czopy łożyskowe i wyznaczona powierzchnia czołowa mogą definiować układ odniesienia. W przypadku płyty odpowiednia może być kontrolowana płaszczyzna oraz dwie prostopadłe krawędzie, o ile nie przewiduje się ich nierównomiernej przemiany. Przyrządy powinny ograniczać element tylko w stopniu niezbędnym do jego ustalenia. Nadmierne zamocowanie podczas pomiaru może spłaszczyć odkształconą część i spowodować zarejestrowanie stanu wymuszonego przez przyrząd zamiast geometrii w stanie swobodnym.

Współrzędnościowe maszyny pomiarowe mogą odwzorowywać położenie otworów, odchyłkę profilu, równoległość, prostopadłość, płaskość oraz zmiany położenia osi. Chmura punktów jest bardziej informatywna niż kilka odczytów maksymalnych, ponieważ pokazuje, czy odkształcenie ma charakter globalnego wygięcia, miejscowego uniesienia krawędzi, owalizacji, skręcenia czy też zmiany skoncentrowanej wokół przejścia od przekroju grubego do cienkiego. Przed i po Obróbce Cieplnej należy stosować ten sam układ współrzędnych i tę samą strategię sondowania. Istotna jest kompensacja temperaturowa: element stalowy mierzony w różnych temperaturach może wykazywać pozorną zmianę wymiarów wynikającą wyłącznie z rozszerzalności cieplnej.

W przypadku części okrągłych należy przeprowadzać kontrole okrągłości i walcowości w kilku przekrojach wzdłuż osi. Pomiar tylko jednej średnicy może nie ujawnić wielopromienności ani wygięcia osi. Prostoliniowość należy sprawdzać wzdłuż wielu tworzących oraz, w stosownych przypadkach, wzdłuż osi obojętnej lub funkcjonalnej. Pierścień może zachować średnią średnicę, a jednocześnie stać się owalny; koło zębate może zachować podziałkę międzyzębną na jednym promieniu, podczas gdy na jego wieńcu powstanie bicie. W przypadku złożonych części przydatne jest porównanie przekrojowe: należy porównywać profile poprzeczne przechodzące przez cienkie ścianki, piasty, żebra, zaokrąglenia i grube przekroje, a następnie zestawiać odpowiadające sobie przekroje przed i po Obróbce Cieplnej. Taki układ często wskazuje na gradient cieplny lub niezgodność przemian.

Kontrola powinna rozróżniać odkształcenie w stanie swobodnym od odkształcenia spowodowanego zwolnieniem zamocowania, cięciem lub mocowaniem. Jeżeli element jest dzielony na przekroje do badań metalograficznych lub pomiaru naprężeń, jego wymiary należy zapisać przed cięciem i po każdym etapie zwalniania. Znaczenie może mieć również historia odlewania. Raporty U.S. Department of Energy i University of Iowa wiążą naprężenia cieplne i hartownicze w odlewach stalowych z odkształceniami, pękaniem, naprawami, naprawami spawalniczymi, błędami wymiarowymi i pogorszeniem właściwości eksploatacyjnych; prace University of Iowa uwzględniają szczególnie historię odlewania przy prognozowaniu końcowych wymiarów i naprężeń.

### Metody pomiaru naprężeń szczątkowych

Metody badania naprężeń szczątkowych mierzą różne części pola naprężeń.
| Metoda | Głębokość lub charakter próbkowania | Główne ograniczenie |
|---|---|---|
| Dyfrakcja rentgenowska | Odkształcenie sieci krystalicznej w pobliżu powierzchni | Sama w sobie nie opisuje pola naprężeń w rdzeniu |
| Metoda otworów wierconych | Przyrostowy profil na małej głębokości | Metoda częściowo niszcząca i zależna od modelu |
| Pomiar konturu lub rozcinanie | Uwolnienie naprężeń przez wykonanie cięcia | Metoda niszcząca i wrażliwa na skutki cięcia |
| Dyfrakcja neutronowa | Większa głębokość penetracji do wnętrza | Wymaga specjalistycznego dostępu i danych dotyczących sieci odniesienia |

Dyfrakcja rentgenowska (XRD) mierzy odkształcenie sieci krystalicznej w pobliżu powierzchni, obserwując przesunięcia pików dyfrakcyjnych. Przy zastosowaniu odpowiednich stałych sprężystości i właściwej płaszczyzny dyfrakcji odkształcenia te są przeliczane na naprężenia. Metoda jest zasadniczo czuła na warstwę powierzchniową, dlatego jest przydatna w przypadku warstw nawęglanych, powierzchni szlifowanych i warstw zahartowanych, ale sama nie może opisać pola naprężeń w środku grubego przekroju. Chropowatość powierzchni, tekstura krystalograficzna, austenit szczątkowy, odwęglenie oraz wybrane promieniowanie mogą zmieniać wynik. Pomiary należy wykonywać w miejscach wybranych na podstawie mapy wymiarowej: po wypukłej i wklęsłej stronie wygięcia, w pobliżu zaokrągleń, w przekrojach cienkich i grubych oraz wzdłuż obu głównych kierunków.

Metoda wiercenia otworu jest metodą częściowo niszczącą. Mały otwór wykonuje się stopniowo, podczas gdy tensometry lub metody optyczne wykrywają miejscowe odprężenie sprężyste. W obliczeniach odwrotnych szacuje się pierwotne naprężenie w funkcji głębokości. Metoda umożliwia badanie większej głębokości niż zwykła XRD, ale nadal pozostaje techniką stosowaną głównie w pobliżu powierzchni, a obliczenia zakładają określoną geometrię, odpowiedź sprężystą oraz dostatecznie dobrze znaną zmienność naprężeń. Otwór usytuowany w pobliżu krawędzi, zaokrąglenia, naprawy spawalniczej lub znacznego gradientu twardości może naruszać te założenia. Sam otwór również przerywa ciągłość części, dlatego jego położenie należy wybrać w miejscu, w którym powstałe uszkodzenie będzie dopuszczalne.

Pomiar konturu, przecinanie na przekroje i pokrewne metody niszczące ujawniają naprężenia poprzez umożliwienie odprężenia skrępowanego ciała. W metodach konturowych element przecina się wzdłuż płaszczyzny, mierzy nowo odsłoniętą powierzchnię, a następnie model sprężysty odtwarza naprężenie normalne, które spowodowało przemieszczenie. Przecinanie na przekroje może bezpośrednio ujawnić ruchy zginające i rozwarcia, jednak cięcie uwalnia trójwymiarowe pole naprężeń i może wymagać korekt uwzględniających odkształcenie podczas cięcia, plastyczność oraz szum pomiarowy. Metody te są skuteczne w przypadku grubych przekrojów i spoin, ale nie zapewniają nieniszczącej kontroli produkcyjnej.

Dyfrakcja neutronowa może mierzyć odkształcenie sieci krystalicznej na znacznie większych głębokościach niż XRD, ponieważ neutrony wnikają głębiej w wiele stali. Umożliwia ona mapowanie naprężeń wewnętrznych w całym przekroju bez przecinania elementu, z uwzględnieniem wymagań dotyczących dostępu, objętości pomiarowej, tekstury, fazy i sieci odniesienia. Jest szczególnie przydatna, gdy pomiary powierzchniowe i reakcja podczas obróbki skrawaniem wskazują na ukryty gradient naprężeń. Nie należy oczekiwać zgodności wyników dyfrakcji neutronowej, XRD i metody wiercenia otworu w tym samym nominalnym miejscu, chyba że porównywane objętości i głębokości próbkowania są porównywalne.

### Rozdzielanie błędu procesu od błędu pomiaru

Niezgodność między dwiema kontrolami nie dowodzi automatycznie, że proces Obróbki Cieplnej uległ zmianie. Niepewność pomiaru należy oszacować oddzielnie od zmienności procesu. Należy powtórzyć ten sam pomiar bez przemieszczania elementu, a następnie wyjąć element, ponownie go zamocować i powtórzyć pomiar. Różnica pozwala oddzielić powtarzalność przyrządu od wpływu ponownego ustalenia baz oraz operatora lub zamocowania. Wzorce wzorcowane, identyfikowalny pomiar temperatury, kwalifikacja sondy i udokumentowana procedura ustawiania pozwalają określić, czy układ współrzędnych jest stabilny.

Stan powierzchni jest częstym źródłem błędnej interpretacji. Zgorzelina, tlenki, materiał odwęglony, przypalenia szlifierskie, warstwy po śrutowaniu i chropowatość mogą wpływać zarówno na sondowanie wymiarowe, jak i na dyfrakcję. Pomiary należy wykonywać przed czyszczeniem i po nim, zgodnie z określoną procedurą, oraz zapisywać każdorazowe usunięcie materiału. Jeżeli po hartowaniu wykonywane jest szlifowanie, powierzchnię należy kontrolować przed szlifowaniem i po każdym istotnym etapie obróbki. Zmiana bicia po usunięciu naddatku może być skutkiem uwolnienia naprężeń szczątkowych, a nie nową wadą hartowniczą, natomiast zmiana naprężenia określonego metodą XRD może wynikać z usunięcia naprężonej warstwy wierzchniej.

Symetria stanowi ważne narzędzie diagnostyczne. Należy porównywać odpowiadające sobie punkty po przeciwnych stronach nominalnie symetrycznego elementu, ale nie wolno bezkrytycznie uśredniać wyników. Symetryczny proces powinien dawać symetryczny rezultat; utrzymująca się różnica jednostronna może wskazywać na nierównomierny przepływ środka chłodzącego, kontakt z przyrządem, sposób załadunku pieca lub istniejący wcześniej błąd obróbki skrawaniem. Gradienty naprężeń sprawiają również, że odczyty jednopunktowe są niewiarygodne. Należy zmapować kilka głębokości, orientacji i stref geometrycznych, a następnie porównać uzyskany układ z twardością, mikrostrukturą, zawartością austenitu szczątkowego i zarejestrowanym cyklem cieplnym. Worcester Polytechnic Institute opisuje odkształcenia hartownicze jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenia, odkształcenia i ewolucję mikrostruktury. System kontroli musi być równie rygorystyczny w oddzielaniu tych efektów od błędów wprowadzanych przez sam pomiar.

## 13. Modelowanie i symulacja odkształceń podczas obróbki cieplnej

Symulacja obróbki cieplnej nie jest kalkulatorem szybkości chłodzenia, do którego później dodano korektę odkształceń. Wiarygodny model przewiduje sprzężoną ewolucję temperatury, udziałów fazowych, odkształcenia, naprężeń i geometrii podczas nagrzewania, wygrzewania, hartowania, odpuszczania, a niekiedy także obróbki mechanicznej stali. Odkształcenie to zmiana kształtu lub wymiarów; naprężenie własne to naprężenie wewnętrzne pozostające po zaniku obciążeń zewnętrznych i gradientów temperatury. Są to różne wyniki tej samej historii procesu. Element może wykazywać znaczne naprężenia własne przy niewielkim widocznym odkształceniu albo wyraźne wypaczenie po uwolnieniu naprężeń podczas obróbki mechanicznej.

ASM International wyróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki występujące w stalach hartowanych i odpuszczanych. Naprężenia cieplne powstają wskutek ograniczenia rozszerzania i skurczu. Naprężenia przemianowe rozwijają się, gdy poszczególne obszary ulegają przemianie w różnych temperaturach i zmieniają objętość w różnym czasie. Naprężenia hartownicze wiążą się z mechaniczną reakcją zmieniającej się mikrostruktury, w tym ze zmianami granicy plastyczności i płynięcia plastycznego. Symulacja pomijająca którykolwiek z tych mechanizmów może nadal generować gładką krzywą temperatury, ale przewidywane przez nią wymiary mogą być nieprawidłowe.

### Sprzężenie cieplne, metalurgiczne i mechaniczne

Pole cieplne stanowi punkt wyjścia, ale nie wyjaśnia całego zjawiska. Solver musi obliczać przewodzenie ciepła w stali, promieniowanie i konwekcję na odsłoniętych powierzchniach, przewodzenie kontaktowe w uchwytach oraz odprowadzanie ciepła do cieczy hartowniczej. Wymianę ciepła na powierzchni zwykle opisuje się za pomocą zależnego od temperatury warunku brzegowego lub współczynnika wymiany ciepła. Współczynnik ten zmienia się podczas wrzenia błonowego, wrzenia pęcherzykowego, wrzenia przejściowego oraz konwekcji cieczy lub pary. Zależy on również od intensywności mieszania, orientacji elementu, temperatury czynnika hartowniczego, składu chemicznego cieczy i lokalnego stanu powierzchni.

W przeglądzie z 2022 roku „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”, opublikowanym w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance*, podkreślono, że wymiana ciepła, przemiana fazowa, geometria, grubość przekroju, dobór czynnika hartowniczego i intensywność chłodzenia wzajemnie na siebie oddziałują. Jednolita temperatura kąpieli nie prowadzi do jednolitej historii chłodzenia, jeśli jedna powierzchnia jest osłonięta, otwór zatrzymuje parę albo gruba piasta chłodzi się wolniej niż cienki wieniec. Artykuły opublikowane w *International Journal of Materials and Product Technology* w częściach I i II również wskazują niejednorodne gradienty cieplne jako główne źródło odkształceń hartowniczych oraz wiążą naprężenia własne z warunkami hartowania, hartowaniem powierzchniowym i nawęglaniem oraz końcowym szlifowaniem.

Model metalurgiczny przekształca temperaturę i skład chemiczny w ewolucję faz. Austenit może przemieniać się w ferryt, perlit, bainit, martenzyt lub austenit szczątkowy, zależnie od lokalnego przebiegu chłodzenia i hartowności. Każdej przemianie może towarzyszyć odkształcenie przemianowe, obejmujące składową objętościową oraz, w niektórych modelach, składową zależną od orientacji. Model konstytutywny łączy następnie odkształcenie cieplne, przemianowe, sprężyste i plastyczne:

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

Rozkład ten stanowi ramy modelowania, a nie twierdzenie, że odkształcenia powstają niezależnie od siebie. Oddziałują one poprzez stan naprężenia i zależną od temperatury granicę plastyczności. Obszar martenzytyczny może powstać, gdy otaczający go austenit jest jeszcze gorący i podatny na odkształcenia; późniejsze chłodzenie może odwrócić lokalny rozkład naprężeń. Może również wystąpić plastyczność indukowana przemianą, gdy naprężenie wspomaga przemianę albo odkształcenie przemianowe sprzyja płynięciu plastycznemu.

Sprzężenie mechaniczne musi zatem uwzględniać zależne od temperatury i fazy: moduł sprężystości, naprężenie uplastyczniające, charakterystykę umocnienia, współczynnik Poissona, odkształcenie przemianowe oraz, w razie potrzeby, pełzanie lub reakcję lepkoplastyczną. Ograniczenia wynikające z zastosowania uchwytów, mat pras, rdzeni lub sąsiednich przekrojów należy odwzorować w sposób jawny. Swobodny pręt, zamocowany pierścień i koło zębate podparte na uchwycie nie będą miały tak samo przewidywanych odkształceń, nawet jeśli wykonano je z tej samej stali i chłodzono w tej samej kąpieli hartowniczej.

### Dane materiałowe i kinetyka przemian

Dane materiałowe decydują o tym, czy symulacja opisuje konkretny gatunek, czy jedynie stal ogólną. Wymagane dane wejściowe obejmują zazwyczaj skład chemiczny, gęstość, przewodność cieplną, ciepło właściwe, emisyjność, temperatury przemian fazowych, ciepło utajone, udziały fazowe, kinetykę przemian, odkształcenia przemianowe oraz właściwości mechaniczne każdej istotnej fazy. Dane dotyczące hartowności, takie jak profil Jominy’ego lub skalibrowana charakterystyka przemian przy chłodzeniu ciągłym, mogą pomóc ustalić, czy w danym przekroju powstanie martenzyt, czy mieszanina bainitu i perlitu.

Kinetyka musi odpowiadać cyklowi cieplnemu. Same dane dotyczące przemian izotermicznych mogą nie wystarczyć do przewidzenia zachowania odkuwki lub odlewu chłodzonego w sposób ciągły. Modele oparte na wykresach przemian zależnych od czasu i temperatury, wykresach przemian przy chłodzeniu ciągłym, zależnościach martenzytycznych typu Koistinena–Marburgera albo skalibrowanych procedurach metody pól fazowych i metody elementów skończonych opierają się na różnych założeniach dotyczących zarodkowania, inkubacji, składu chemicznego i struktury wcześniejszych ziaren austenitu. Gradienty zawartości węgla powstałe podczas nawęglania, gradienty azotu powstałe podczas azotowania oraz segregacja po odlaniu wymagają przestrzennie zmiennych danych wejściowych, a nie jednego składu przypisanego każdemu elementowi.

Archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology stanowi użyteczne źródło informacji dotyczących obróbki cieplnej, jednak dane archiwalne nadal wymagają weryfikacji w odniesieniu do rzeczywistego gatunku, wielkości przekroju, stanu powierzchni i urządzeń. Opublikowane wartości mogły zostać zmierzone dla innych geometrii próbek lub szybkości chłodzenia. Model skalibrowany dla hartowania w oleju nie powinien być bez sprawdzenia przenoszony na roztwór polimerowy, wodę, gaz ani hartowanie przerywane. Warunek brzegowy opisujący chłodzenie hartownicze jest częścią zbioru danych materiałowo-procesowych.

Kalibracja powinna obejmować porównanie przewidywanych temperatur, udziałów fazowych, twardości, wymiarów i naprężeń z pomiarami wykonanymi dla określonego procesu. Termopary, pomiary w podczerwieni tam, gdzie jest to praktyczne, dylatometria, pomiary twardości wzdłuż przekroju, ilościowa ocena faz metalograficznych, skany za pomocą współrzędnościowej maszyny pomiarowej oraz dyfrakcja rentgenowska lub neutronowa mogą służyć do badania różnych fragmentów modelu. Kalibracja odkształceń powinna obejmować wiele cech: średnicę otworu, płaskość powierzchni czołowej, bicie, długość i zmianę kąta. Dopasowanie jednego końcowego wymiaru może ukrywać kompensujące się błędy w wymianie ciepła i odkształceniu przemianowym.

Wrażliwość na siatkę ma znaczenie, ponieważ cienkie ścianki, ostre zaokrąglenia, rowki wpustowe, otwory, przejścia głębokości warstwy nawęglonej i obszary kontaktu tworzą strome gradienty. Zagęszczanie siatki do momentu, w którym przewidywany wymiar końcowy zmienia się już tylko nieznacznie, jest bardziej miarodajne niż jednorazowy wybór wizualnie gęstej siatki. Założenia dotyczące warunków brzegowych wymagają równie dokładnej analizy. Idealnie symetryczne chłodzenie, idealnie sztywne uchwyty, stałe współczynniki wymiany ciepła i podpory bez tarcia mogą prowadzić do uporządkowanego wyniku, którego rzeczywisty piec nigdy nie zapewnia. W badaniach wrażliwości należy zmieniać gęstość siatki, współczynniki powierzchniowej wymiany ciepła, sztywność uchwytów, tarcie, temperaturę początkową oraz parametry kinetyki przemian fazowych, aby określić, które niepewności kontrolują wynik.

### Historia odlewania i przewidywanie wymiarów końcowych

Historia odlewania i wcześniejsze etapy przetwarzania mogą istotnie wpływać na przewidywane końcowe wymiary i naprężenia szczątkowe. Limited evidence

W przypadku staliwa warunek początkowy jest już wynikiem historii cieplnej i mechanicznej. Krzepnięcie powoduje segregację, powstanie struktury dendrytycznej, porowatości, naprężeń własnych i niejednorodnej struktury ziaren. Chłodzenie po wybijaniu odlewu, usunięciu nadlewu, obróbce zgrubnej, naprawie spawalniczej i odprężaniu może zmienić pole naprężeń jeszcze przed rozpoczęciem hartowania. U.S. Department of Energy podaje, że naprężenia cieplne i własne w odlewach stalowych mogą przyczyniać się do odkształceń, pękania, napraw, napraw spawalniczych, błędów wymiarowych i pogorszenia parametrów eksploatacyjnych. Model rozpoczynający obliczenia od pozbawionego naprężeń, jednorodnego pod względem składu bloku o temperaturze pokojowej pomija informacje decydujące o znacznej części późniejszej reakcji materiału.

Raport University of Iowa wskazuje to samo w kontekście przewidywania: historię odlewania należy uwzględnić przy szacowaniu wymiarów końcowych i naprężeń własnych. Może to wymagać sekwencyjnego przebiegu obliczeń. Symulacja odlewania najpierw przewiduje krzepnięcie, chłodzenie, skurcz i naprężenia własne; uzyskane pola temperatury, faz, składu chemicznego i naprężeń stają się następnie stanem początkowym dla austenityzowania i hartowania. W kolejnym kroku można zamodelować obróbkę zgrubną poprzez usunięcie elementów lub zmianę ograniczeń, a następnie przeprowadzić kolejne obliczenie równowagowe. Taka sekwencja odwzorowuje redystrybucję naprężeń, której nie można uchwycić w ramach pojedynczego etapu obróbki cieplnej.

Ostatecznie przewidywana geometria jest zależna od procesu. Zależy od załadunku pieca, czasu austenityzowania, opóźnienia transportowego, ruchu cieczy hartowniczej, kontaktu z uchwytem, odpuszczania, chłodzenia między operacjami oraz historii materiału. Symulacja nie dostarcza abstrakcyjnej wartości odkształcenia przypisanej „stali” niezależnie od tych warunków. Przewiduje reakcję określonej geometrii, gatunku, stanu początkowego, konfiguracji urządzeń i harmonogramu procesu.

To rozróżnienie wyjaśnia również, dlaczego symulacja powinna wspierać próby technologiczne, a nie zastępować pomiary. Raport Worcester Polytechnic Institute opisuje odkształcenia hartownicze jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenia, odkształcenie i zmiany mikrostruktury. Model jest wiarygodny, gdy odtwarza zmierzone zachowanie dla więcej niż jednego elementu lub warunku, ujawnia dominujące czynniki wrażliwości oraz wskazuje, gdzie naprężenia własne zostaną uwolnione podczas obróbki mechanicznej. Dlatego wytyczne ASM dotyczące projektowania obróbki cieplnej traktują minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowe, a nie jako korekty wykonywane po zakończeniu procesu.

## 14. Strategie Procesowe i Projektowe Kontroli Odkształceń

Kontrolę odkształceń należy organizować wokół ograniczania niezgodnych odkształceń, a nie wokół obietnicy zerowej zmiany wymiarów. Podczas nagrzewania i hartowania różne obszary elementu rozszerzają się, kurczą, ulegają przemianom i odkształcają plastycznie w różnym czasie. ASM International wyróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego jako odrębne czynniki, chociaż w rzeczywistym elemencie rozwijają się one jednocześnie. Przegląd opublikowany w 2022 roku w *Journal of Materials Engineering and Performance* również opisuje odkształcenia hartownicze jako wynik wzajemnego oddziaływania wymiany ciepła, przemian fazowych, geometrii, grubości przekroju, doboru środka chłodzącego i intensywności hartowania.

Prawidłowo zaprojektowany proces ogranicza zatem różnice między sąsiednimi obszarami. Nie polega jedynie na wyborze szybszego środka chłodzącego ani na zastosowaniu większego naddatku na obróbkę.

### Projektowanie pod kątem równomiernego nagrzewania i chłodzenia

Geometria jest pierwszą zmienną procesową. Grube piasty połączone z cienkimi tarczami, gwałtowne uskoki, ostre rowki wpustowe, otwory nieprzelotowe i nierówne grubości ścianek powodują różne szybkości nagrzewania i chłodzenia. Wytwarzają również lokalne skrępowanie: jeden obszar próbuje się kurczyć, podczas gdy inny pozostaje gorący i rozszerzony. Powstałe naprężenia mogą wywołać odkształcenie plastyczne, zanim powstanie martenzyt, albo zostać uwolnione później, gdy dojdzie do redystrybucji naprężeń własnych.

Uproszczenie kształtu zmniejsza te niezgodności. Tam, gdzie pozwala na to konstrukcja funkcjonalna, należy stosować stopniowe przejścia przekrojów, duże promienie zaokrągleń oraz możliwie równomierną grubość ścianek. Należy unikać nagłych zmian przekroju w pobliżu gniazd łożysk, zębów kół zębatych lub powierzchni ustalających. Przejście, które na rysunku wydaje się niewielkie, może mieć duże znaczenie podczas hartowania, ponieważ cieńszy obszar może osiągnąć temperaturę początku przemiany martenzytycznej, podczas gdy grubszy obszar nadal będzie podlegał skurczowi cieplnemu. *International Journal of Materials and Product Technology* wskazuje niejednorodne gradienty cieplne podczas hartowania jako główne źródło odkształceń hartowniczych.

Nagrzewanie musi być również równomierne w całym wsadzie. Elementy należy rozmieszczać tak, aby atmosfera pieca mogła krążyć wokół nich, zamiast układać je ciasno, w bezpośrednim kontakcie. Ciężkie kosze, elementy ułożone warstwowo i osłonięte powierzchnie mogą lokalnie opóźniać nagrzewanie. Podgrzewanie wstępne jest przydatne, gdy w przeciwnym razie między powierzchnią a rdzeniem powstałaby duża różnica temperatur, szczególnie w przypadku elementów grubych, złożonych lub silnie stopowych. Cykl wielostopniowy może ograniczyć szok cieplny, jednak podgrzewanie wstępne nie eliminuje konieczności kontrolowania temperatury austenityzowania i czasu wygrzewania. Nadmierne wygrzewanie może powiększać ziarna austenitu, zwiększać utlenianie lub odwęglenie oraz zmieniać końcowy przebieg przemiany.

Równomierność chłodzenia jest równie ważna jak równomierność nagrzewania w piecu. Środek chłodzący powinien docierać do wszystkich istotnych powierzchni z podobną szybkością, przy kontrolowanej temperaturze, intensywności mieszania i czystości. Płaszcze parowe, obszary stagnacji, zablokowane kanały i nierównomierne rozkłady natrysku powodują lokalnie odmienne przebiegi chłodzenia. W rezultacie obok twardej powierzchni martenzytycznej może powstać obszar zawierający bainit, perlit lub austenit szczątkowy, a wraz z nim odmienne zmiany objętości i różne stany naprężeń własnych. Mieszanie środka chłodzącego powinno usuwać parę i zapewniać powtarzalną wymianę ciepła, nie powodując jednocześnie ugięcia cienkiego elementu pod wpływem obciążenia hydraulicznego lub manipulacyjnego.

Naddatki na obróbkę powinny uwzględniać to zachowanie. Na krytycznych bazach wymiarowych można pozostawić wystarczającą ilość materiału do obróbki wykańczającej po hartowaniu i odpuszczaniu, natomiast nie należy bezkrytycznie dodawać zbędnego naddatku, ponieważ zwiększa on masę cieplną i może potęgować różnice przekrojów. Uwagę należy poświęcić również końcowemu szlifowaniu: badanie IJMPT dotyczące stali hartowanej wiąże naprężenia własne z warunkami stosowania środka chłodzącego, hartowaniem powierzchniowym i warstwowym oraz końcowym szlifowaniem.

### Dobór hartowności i warunków hartowania

Skład chemiczny stali określa, jak szybko musi chłodzić się przekrój, aby uniknąć produktów przemian dyfuzyjnych i uzyskać wymaganą mikrostrukturę. Wybór powinien opierać się na hartowności, a nie wyłącznie na nominalnej twardości. Na przykład AISI 4140 na ogół charakteryzuje się większą hartownością niż stal niestopowa o porównywalnej zawartości węgla, ponieważ chrom i molibden opóźniają przemianę; AISI 52100 jest dobierana do zastosowań łożyskowych wymagających dużej zawartości węgla, lecz wymaga ścisłej kontroli austenityzowania i hartowania, ponieważ udział węglików oraz wielkość przekroju wpływają na przebieg przemiany. Właściwy gatunek zależy od wymaganego rozkładu twardości, ciągliwości, odporności na zużycie, wymiarów i naprężeń eksploatacyjnych.

Dobór stali o odpowiedniej hartowności może umożliwić zastosowanie mniej intensywnego hartowania. Zmniejsza to różnicę temperatur między powierzchnią a rdzeniem i ogranicza naprężenia cieplne konieczne do uzyskania docelowej struktury. Bardzo intensywne hartowanie może zapewnić dużą twardość powierzchni, ale może również zwiększyć odkształcenia, ryzyko pękania i naprężenia własne bez poprawy wymaganych właściwości rdzenia. Z kolei niewystarczająca intensywność może pozostawić strefy miękkie albo nadmierne ilości bainitu i perlitu. Jest to kompromis metalurgiczny, a nie ogólna preferencja dla oleju, wody, polimeru, gazu czy soli.

Stężenie, temperatura, ruch i stan techniczny środka chłodzącego należy określić jako zmienne procesowe. Roztwory polimerowe mogą zmieniać charakterystykę chłodzenia wraz ze zmianą stężenia i intensywności mieszania; lepkość i temperatura oleju wpływają na cyrkulację oraz wymianę ciepła; hartowanie gazowe zależy od ciśnienia, prędkości przepływu i ekspozycji elementu. Hartowanie w soli lub hartowanie stopniowe może ograniczać zakres temperatur, w którym powstają silne gradienty cieplne, jednak cykl nadal musi zapewniać wymaganą przemianę. Przegląd JMEP z 2022 roku podkreśla, że doboru środka chłodzącego i intensywności hartowania nie można rozpatrywać w oderwaniu od geometrii i grubości przekroju.

Szczególnej uwagi wymagają procesy hartowania powierzchniowego i warstwowego. Nawęglanie zmienia zawartość węgla w pobliżu powierzchni, a tym samym temperaturę przemiany, hartowność i zmianę objętości. Azotowanie wytwarza utwardzoną warstwę związków lub strefę dyfuzyjną, przy znacznie mniejszym udziale przemiany objętościowej niż w przypadku nawęglania, jednak odkształcenia nadal mogą wynikać z wcześniejszych naprężeń po obróbce, nagrzewania, skrępowania przez oprzyrządowanie i szlifowania po obróbce cieplno-chemicznej. Obróbka cieplna w próżni może poprawić kontrolę atmosfery, lecz nie zapewnia automatycznie równomiernego chłodzenia, jeżeli rozmieszczenie wsadu lub przepływ gazu są nieprawidłowe.

Odpuszczanie powinno następować po hartowaniu w określonym oknie procesowym. Zmniejsza ono ryzyko pozostania nieodpuszczonego martenzytu i naprężeń hartowniczych, które mogłyby później sprzyjać pękaniu lub paczeniu. Jeżeli naprężenia własne pozostają niedopuszczalnie wysokie, można zastosować odprężanie mechaniczne lub cieplne, pod warunkiem że zabieg ten nie pogorszy twardości, głębokości warstwy, tolerancji wymiarowych ani stanu powierzchni. Wytyczne ASM dotyczące projektowania obróbki cieplnej wskazują minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowe.

### Oprzyrządowanie, orientacja i sekwencja procesu

Oprzyrządowanie powinno ograniczać ruch bez tworzenia nowej, skoncentrowanej ścieżki przenoszenia obciążenia. Sztywne zamocowanie elementu, który próbuje się kurczyć, może zamienić swobodne odkształcenie na wysokie naprężenia własne, lokalne odkształcenie plastyczne lub pękanie. W miarę możliwości podpory powinny stykać się z mocnymi, niefunkcjonalnymi obszarami, a nacisk kontaktowy powinien pozostawać stały w miarę zmiany temperatury elementu. Cienkie pierścienie, płyty i wały mogą wymagać trzpieni, zawiesi lub podpór prowadzących, lecz oprzyrządowanie musi umożliwiać zamierzone skurcze cieplne, zamiast całkowicie je blokować.

Orientacja elementu wpływa zarówno na oddziaływanie grawitacji, jak i na dostęp środka chłodzącego. Długie wały można zawieszać pionowo, aby ograniczyć ugięcie, natomiast płyty płaskie mogą wymagać orientacji zapobiegającej powstawaniu kieszeni parowych i umożliwiającej podobne chłodzenie obu powierzchni. Wnęki, zęby kół zębatych, rowki i otwory powinny być skierowane względem przepływu w taki sposób, aby unikać uwięzionej pary lub stagnacji cieczy. Orientację wsadu należy zweryfikować w rzeczywistym koszu, ponieważ sąsiednie elementy mogą osłaniać powierzchnie i zmieniać lokalne szybkości chłodzenia.

Równie ważna jest sekwencja operacji. Przed obróbką cieplną należy wykonać obróbkę zgrubną, pozostawić kontrolowany naddatek na wykańczanie, a następnie przeprowadzić obróbkę wykańczającą lub szlifowanie po hartowaniu i odpuszczaniu, gdy stan naprężeń własnych jest już znany. W przypadku dużych odlewów lub odkuwek istotne jest ostrzeżenie zawarte w raporcie technicznym z Iowa: historia odlewania wpływa na końcowe wymiary i naprężenia własne. Struktura krzepnięcia, wcześniejsze cykle cieplne, naprawy spawalnicze i nierównomierne naddatki mogą przetrwać do etapu obróbki cieplnej i zmienić przewidywaną odpowiedź materiału.

Odprężanie przed hartowaniem może ograniczyć naprężenia po obróbce i naprężenia technologiczne, które w przeciwnym razie nałożyłyby się na naprężenia hartownicze. Odprężanie po hartowaniu może w przypadku odpowiednich stali ograniczyć ryzyko paczenia, lecz nie jest uniwersalnym rozwiązaniem. Materiały NIST *Metallurgy of Heat Treatment* odnotowują, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie podczas obróbki, gdy usuwanie materiału narusza równowagę naprężeń własnych. Dlatego plan procesu powinien obejmować pomiar krytycznych wymiarów po każdej głównej operacji, a nie tylko podczas kontroli końcowej.

Właściwą kombinację geometrii, składu chemicznego stali, hartowności, wielkości przekroju, wymaganej mikrostruktury, środka chłodzącego, oprzyrządowania, orientacji i harmonogramu odprężania należy ustalić dla konkretnego elementu i wyposażenia. Modelowanie może pomóc połączyć wymianę ciepła, przemiany fazowe, naprężenia, odkształcenia i ewolucję mikrostruktury, jak opisuje to Worcester Polytechnic Institute, jednak próby przemysłowe i pomiary wymiarów nadal pozostają konieczne, ponieważ rozmieszczenie wsadu i historia materiału często decydują o tym, czy przewidywane odkształcenie będzie w praktyce zgodne z wymaganiami.

## 15. Uwagi dotyczące gatunku, normy i specyfikacji procesu

### Dlaczego samo oznaczenie gatunku nie pozwala przewidzieć odkształceń

Gatunek stali określa jej skład chemiczny, a w przypadku niektórych norm również wymagania dotyczące właściwości mechanicznych, czystości, stanu dostawy lub hartowności. Nie określa on jednak końcowego kształtu elementu po obróbce cieplnej. Dwa elementy wykonane z tego samego gatunku mogą wykazywać różne zmiany wymiarów, ponieważ różnią się geometrią, grubością przekroju, wyjściową mikrostrukturą oraz kolejnością operacji obróbki skrawaniem.

Długi, smukły wał, gruba piasta i cienka płyta nie doświadczają takiej samej historii cieplnej podczas hartowania. Ich powierzchnie chłodzą się z różnymi prędkościami względem rdzeni, a naroża, otwory, rowki wpustowe i nagłe zmiany przekroju powodują koncentrację odkształceń cieplnych i przemianowych. Element nominalnie jednorodny może zatem zawierać obszary rozciągających i ściskających naprężeń własnych, które równoważą się wewnętrznie, lecz po usunięciu materiału nadal mogą powodować wygięcie, owalizację lub lokalne przemieszczenia.

Oznaczenie materiału nie określa również jego efektywnej hartowności w konkretnych warunkach pracy pieca i podczas danego cyklu hartowania. Skład chemiczny stopu wpływa na przebieg przemian w układzie czas–temperatura, lecz znaczenie mają także wielkość ziarna austenitu, wyjściowy stan ferrytyczno-perlityczny lub bainityczny, segregacja, rozmieszczenie węglików oraz wcześniejsze odkształcenie na zimno. Stal tego samego gatunku dostarczona w stanie normalizowanym nie będzie reagować dokładnie tak samo jak stal dostarczona w stanie zahartowanym i odpuszczonym. Historia odlewania może dodatkowo wprowadzać porowatość, segregację i naprężenia wstępne; opracowania techniczne University of Iowa dotyczące odlewów stalowych podkreślają, że historię tę należy uwzględniać przy przewidywaniu końcowych wymiarów i naprężeń własnych.

Przegląd opublikowany w 2022 roku w *Journal of Materials Engineering and Performance*, zatytułowany „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review”, opisuje ten wynik jako wzajemne oddziaływanie wymiany ciepła, przemiany fazowej, geometrii, grubości przekroju, doboru ośrodka chłodzącego i intensywności hartowania. Jest to właściwe ujęcie inżynierskie. ASM International również rozróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego w omówieniu stali hartowanych i odpuszczanych zawartym w *ASM Handbook*. Naprężenia te są sprzężone z odkształceniami: odkształcenia przemianowe mogą wywoływać płynięcie plastyczne, a gradienty cieplne mogą zmieniać czas i miejsce powstawania martenzytu, bainitu lub perlitu.

Oznaczenie takie jak **42CrMo4** zgodnie z **EN 10083-3** lub **AISI 4140** zgodnie z właściwą specyfikacją ASTM albo SAE należy zatem zapisywać dokładnie w określonej formie, lecz nie należy traktować go jako gwarancji braku odkształceń. Nazwy nieformalne i oznaczenia handlowe mogą ukrywać różnice w granicznych wartościach składu chemicznego, postaci wyrobu, stanie dostawy i wymaganej hartowności. Norma ma znaczenie, podobnie jak rzeczywiste świadectwo materiałowe.

### Specyfikacje hartowania na wskroś i hartowania powierzchniowego

Wymaganie dotyczące hartowania na wskroś powinno określać więcej niż tylko „zahartować i odpuścić”. Należy podać temperaturę austenityzowania lub dopuszczalny jej zakres, metodę nagrzewania, podstawę ustalania czasu wygrzewania, czas transportu, ośrodek chłodzący, sposób jego mieszania, temperaturę hartowania, temperaturę odpuszczania, czas odpuszczania oraz wymaganą twardość lub mikrostrukturę w określonych miejscach. Wymaganiu musi towarzyszyć informacja o wymiarze przekroju, ponieważ wartość twardości zmierzona w pobliżu powierzchni niewiele mówi o stanie środka dużego przekroju.

Stal wysokowęglowa lub stopowa może tworzyć martenzyt w całym małym przekroju, lecz w środku grubego przekroju może powstać jedynie struktura mieszana. Różnica ta wpływa zarówno na zmianę objętości, jak i na rozwój naprężeń. Intensywność hartowania wystarczająca do osiągnięcia wymaganej twardości rdzenia może zwiększać gradienty temperatury między powierzchnią a rdzeniem, ryzyko pęknięć i odkształcenia. Łagodniejsze lub przerywane hartowanie może zmniejszyć gradienty, lecz nie zapewnić wymaganej przemiany. Specyfikacja musi uwzględniać ten kompromis, zamiast przypisywać odpowiedzialność za jego rozwiązanie samej nazwie gatunku.

Hartowanie powierzchniowe wprowadza dodatkowe zmienne. Nawęglanie, węgloazotowanie, azotowanie i hartowanie indukcyjne wytwarzają warstwę zahartowaną na rdzeniu o innej strukturze, dlatego należy określić głębokość warstwy, stan powierzchni pod względem zawartości węgla lub azotu, dopuszczalną zawartość austenitu szczątkowego, twardość rdzenia oraz profil przejściowy. W literaturze *International Journal of Materials and Product Technology* hartowanie powierzchniowe i warstwowe wskazywane są jako czynniki przyczyniające się do powstawania naprężeń własnych, obok warunków chłodzenia i końcowego szlifowania. Nawęglany ząb koła zębatego może ulegać odkształceniom wskutek przemiany w warstwie, przemiany w rdzeniu, geometrii zęba i oddziaływania cieplnego związanego z nawęglaniem, nawet gdy jego gatunek materiału pozostaje niezmieniony.

W przypadku hartowania indukcyjnego lub płomieniowego częstotliwość, gęstość mocy, prędkość skanowania, zakładka, układ natrysku i temperatura początkowa mogą zmieniać strefę nagrzewania oraz kolejność przemian. W azotowaniu wymagania dotyczące warstwy związków i twardości strefy dyfuzyjnej mogą wpływać na przyrost wymiarów w inny sposób niż warstwa martenzytyczna. Znaczenie ma również austenit szczątkowy: jego późniejsza przemiana podczas eksploatacji, odpuszczania, szlifowania lub przechowywania może zmienić wymiary po zakończeniu pierwotnego hartowania.

Wytyczne ASM dotyczące projektowania obróbki cieplnej wskazują ograniczenie odkształceń i niepożądanych naprężeń własnych jako podstawowe kryteria projektowe, a nie jako problemy kontrolne, którymi należy zająć się dopiero po zakończeniu procesu. W opracowaniu IJMPT z 2005 roku nierównomierne gradienty cieplne wskazano jako jedno z głównych źródeł odkształceń hartowniczych. Dlatego geometria, oprzyrządowanie, sposób rozmieszczenia wsadu, ruch ośrodka chłodzącego i orientacja elementu muszą być uwzględnione w specyfikacji procesu, jeżeli wpływają na jednorodność chłodzenia.

### Rejestrowanie pełnego stanu obróbki cieplnej

Użyteczny zapis łączy specyfikację materiału z rzeczywistą historią cieplną i mechaniczną. Co najmniej powinien on określać normę i oznaczenie gatunku, postać wyrobu, numer wytopu lub odlewu, stan dostawy, wymiar przekroju oraz wszelkie określone wymagania dotyczące hartowności. Następnie należy zarejestrować pełny cykl: typ pieca i atmosferę, sposób załadunku, etapy podgrzewania wstępnego, temperaturę austenityzowania, czas przebywania w tej temperaturze, opóźnienie transportowe, rodzaj i stężenie ośrodka chłodzącego, temperaturę kąpieli, mieszanie lub przepływ, metodę przerywania chłodzenia oraz harmonogram odpuszczania.

Zapis powinien również określać, co uznaje się za wynik prawidłowy. Położenie punktów pomiaru twardości, mikrostrukturę rdzenia i powierzchni, głębokość warstwy, dopuszczalną zawartość austenitu szczątkowego, prostoliniowość, okrągłość, bicie, płaskość i dopuszczalną zmianę wymiarów należy oceniać na podstawie określonych kryteriów. Kontrola przed obróbką i po niej powinna, w miarę możliwości, wykorzystywać te same bazy pomiarowe, ponieważ zmiana baz może utrudnić odróżnienie przemieszczeń wywołanych obróbką cieplną od błędów obróbki skrawaniem.

Kolejność operacji obróbki skrawaniem należy uwzględnić w dokumentacji. W publikacji *Metallurgy of Heat Treatment*, zarchiwizowanej przez National Institute of Standards and Technology, wskazano, że nieusunięte naprężenia hartownicze mogą powodować paczenie podczas usuwania materiału w procesie obróbki skrawaniem i zakłócenia równowagi naprężeń własnych. Zgrubna obróbka skrawaniem przed hartowaniem, odprężanie między operacjami, naddatek na szlifowanie oraz kierunek końcowego szlifowania mogą zatem zmienić obserwowany wynik bez jakiejkolwiek zmiany gatunku stali lub receptury hartowania.

U.S. Department of Energy podaje, że naprężenia powstające podczas nagrzewania i hartowania odlewów stalowych mogą przyczyniać się do odkształceń, pęknięć, przeróbek, napraw spawalniczych, błędów wymiarowych i obniżenia właściwości użytkowych. W raporcie Worcester Polytechnic Institute odkształcenia hartownicze są podobnie traktowane jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę, naprężenie, odkształcenie i ewolucję mikrostruktury. Dokumentacja procesu powinna zachowywać wystarczająco dużo informacji, aby umożliwić porównanie tych zmiennych dla kolejnych wsadów. Sam certyfikat gatunku nie jest do tego wystarczający.

## 16. Ramy diagnostyczne dla wad odkształceń

Wadę odkształcenia należy traktować jako problem związany z historią procesu, a nie jako dowód na to, że medium chłodzące było zbyt intensywne. Końcowy kształt części odzwierciedla jednocześnie kilka zdarzeń: nagrzewanie, rozszerzalność cieplną, przemianę fazową, odkształcenie plastyczne, hartowanie, odpuszczanie, obróbkę skrawaniem, a niekiedy także szlifowanie. Naprężenia własne i odkształcenie są ze sobą powiązane, lecz nie są tym samym. Część może spełniać wymagania dotyczące wymiarów, a jednocześnie zawierać niebezpieczne naprężenia rozciągające, albo może ulec wygięciu po obróbce skrawaniem, gdy operacja skrawania uwolni układ naprężeń, który wcześniej pozostawał niewidoczny.

Pierwszym zadaniem jest zdefiniowanie wady za pomocą pomiarów. Należy odnotować wielkość i kierunek wygięcia, zmianę kątową związaną ze skręceniem, zmianę wymiarów między bazami oraz położenie i orientację każdej rysy. Opis przy użyciu liniału, taki jak „wał się wygiął”, jest niewystarczający. Należy zmierzyć bicie w kilku przekrojach, sporządzić mapę płaskości na całej powierzchni oraz ustalić, czy błąd jest symetryczny względem osi części. Należy porównać stan po hartowaniu, po odpuszczaniu, po obróbce zgrubnej i po szlifowaniu wykańczającym, o ile takie dane są dostępne. Sekwencja ta często wskazuje, kiedy pojawiła się wada.

### Klasyfikacja wygięcia, skręcenia, przyrostu wymiarów i pękania

Wygięcie jest błędem krzywizny, który często powstaje, gdy jedna strona płyty, wału, zęba lub belki doświadcza innego odkształcenia cieplnego albo przemianowego niż strona przeciwna. Duża różnica między średnicą a grubością, przesunięty układ otworów, nierównomierna głębokość warstwy utwardzonej lub kontakt z oprzyrządowaniem mogą nadać tej nierównowadze określony kierunek. Wygięcie, które zmienia kierunek po odwróceniu części, może wynikać ze sposobu podparcia podczas pomiaru lub z działania grawitacji; wygięcie, które w każdej orientacji przebiega zgodnie z tą samą cechą materiałową, ma najprawdopodobniej podłoże metalurgiczne lub geometryczne.

Skręcenie jest innym rodzajem wady. Wskazuje na zmienność odkształcenia wokół kierunku wzdłużnego lub obwodowego. Odkształcenie śrubowe wału może wynikać z asymetrycznego przepływu medium chłodzącego, przerywanego kontaktu z oprzyrządowaniem, nierównomiernej głębokości nawęglania lub uwolnienia naprężeń skrętnych podczas przemiany. Część z rowkami wpustowymi, zębami kół zębatych, wielowypustami lub nierówną grubością ścianek jest szczególnie wrażliwa, ponieważ rozkład jej masy zmienia lokalną szybkość chłodzenia.

Przyrost lub skurcz należy rozdzielić na składniki cieplne, przemianowe i związane z obróbką skrawaniem. Powstawanie austenitu na ogół powoduje inną zmianę objętości niż późniejsze powstawanie martenzytu, bainitu lub perlitu, a końcowa zmiana wymiarów zależy od zawartości węgla, składu stopowego, szybkości chłodzenia i austenitu szczątkowego. Dlatego koło zębate ze stali SAE 8620 po nawęglaniu nie może być oceniane według tych samych oczekiwań wymiarowych co wał ze stali AISI 4140 hartowany na wskroś. Istotnym wynikiem nie jest jedynie stwierdzenie, że część stała się „większa” lub „mniejsza”, lecz określenie zmiany każdego kontrolowanego wymiaru i jej związku z mikrostrukturą.

Pękanie stanowi odrębną klasę uszkodzeń, chociaż te same naprężenia, które powodują odkształcenie, mogą się do niego przyczyniać. Pęknięcia hartownicze często przebiegają przez koncentratory naprężeń, ostre naroża, rowki wpustowe, przypalenia szlifierskie lub obszary o dużej twardości i małej ciągliwości. Pękanie międzykrystaliczne lub sieciowe może wskazywać na przegrzanie, nadmierny rozrost ziaren, uszkodzenia nawęglania albo kruchość, a nie tylko na zbyt intensywne hartowanie. Należy odnotować miejsce powstania pęknięcia, jego orientację i głębokość oraz ustalić, czy jest ono związane z odwęgleniem, austenitem szczątkowym, węglikami lub uszkodzeniami po szlifowaniu. Badania magnetyczno-proszkowe, badania penetracyjne, zgłady metalograficzne i analiza przełomu powinny dostarczyć odpowiedzi na różne aspekty tego problemu.

### Odtwarzanie historii cieplnej i przemianowej

Po zdefiniowaniu wady należy odwzorować ją w odniesieniu do geometrii i rozkładu masy. Trzeba zaznaczyć cienkie ścianki, występy, żebra, otwory, zęby, ślepe wnęki, ostre przejścia oraz grube przekroje. Cechy te decydują o przepływie ciepła i mogą powodować lokalne różnice w temperaturach początku i końca przemiany. Przegląd autorstwa twórców publikacji *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels: A Review*, opublikowany w 2022 roku w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance*, opisuje wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór medium chłodzącego i intensywność hartowania jako zmienne wzajemnie na siebie oddziałujące. Ta współzależność powinna kierować przebiegiem analizy.

Przed zmianą parametrów hartowania należy przeanalizować zapis pracy pieca. Trzeba potwierdzić temperaturę wsadu, czas wygrzewania, potencjał atmosfery, równomierność temperatury w piecu, położenie termopary, masę wsadu, rozmieszczenie elementów na tacy oraz odstępy między częściami. Piec może spełniać wymagania dotyczące równomierności temperatury w pustej komorze, podczas gdy gęsto upakowany wsad będzie wykazywał znaczne różnice temperatur między poszczególnymi częściami oraz między powierzchnią a rdzeniem. Należy porównać części znajdujące się na górze, w środku i na obrzeżu wsadu. Jeżeli wada występuje tylko w jednym położeniu, dowody wskazują raczej na sposób załadunku lub przepływ medium niż na uniwersalną reakcję materiału.

Następnie należy odtworzyć przebieg hartowania. Trzeba zarejestrować czas transportu, temperaturę kąpieli lub polimeru, intensywność mieszania albo ruch dysz, orientację podczas zanurzania, odstępy między częściami oraz możliwość powstania płaszcza parowego lub uwięzionych kieszeni. *International Journal of Materials and Product Technology* wskazuje nierównomierne gradienty cieplne jako główne źródło odkształceń hartowniczych, natomiast powiązana z tym publikacja łączy naprężenia własne z warunkami chłodzenia, hartowaniem powierzchniowym i warstwowym oraz końcowym szlifowaniem. Krzywe chłodzenia lub oprzyrządowane próbki świadków mogą wykazać, czy powierzchnia chłodziła się szybko, podczas gdy rdzeń pozostawał gorący, albo czy jedna strona otrzymywała intensywniejsze odprowadzanie ciepła.

Wynik należy zweryfikować metalurgicznie. Pomiary twardości w przekroju powinny obejmować powierzchnię, obszar podpowierzchniowy i rdzeń, o ile pozwala na to wielkość przekroju. Należy zbadać wielkość byłych ziaren austenitu, rozkład martenzytu lub bainitu, austenit szczątkowy, węgliki, odwęglenie, głębokość warstwy utwardzonej oraz wszelkie pasma miękkie. Wartość twardości mieszcząca się w wymaganiach nie dowodzi, że przemiana przebiegła równomiernie. W przypadku koła zębatego po nawęglaniu należy na przykład zmierzyć głębokość warstwy utwardzonej na kilku zębach i w różnych miejscach obwodu, zamiast opierać się na jednym przekroju.

Pomiar naprężeń własnych jest uzasadniony, gdy uwolnienie wymiarowe, pękanie, właściwości zmęczeniowe lub powtarzające się przemieszczenia podczas obróbki skrawaniem nie mogą zostać wyjaśnione wyłącznie geometrią i twardością. Dyfrakcja rentgenowska może charakteryzować naprężenia w warstwie przypowierzchniowej; metoda wiercenia otworu umożliwia uzyskanie profilu na niewielkiej głębokości; metody neutronowe lub wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe pozwalają badać głębsze obszary, jeśli są dostępne. Każdy wynik należy interpretować z uwzględnieniem głębokości i kierunku pomiaru. Wartość naprężenia ściskającego przy powierzchni nie wyklucza naprężeń rozciągających pod warstwą utwardzoną ani w strefie przejściowej.

### Działania korygujące bez ślepej zmiany jednej zmiennej

Należy porównać wiele części wadliwych i prawidłowych, a nie tylko jeden szczególnie wyraźny przypadek uszkodzenia. Każdą część trzeba powiązać z jej położeniem w piecu, numerem wytopu, wcześniejszą trasą obróbki, partią hartowniczą, cyklem odpuszczania i wynikiem kontroli. W razie potrzeby należy przeanalizować historię wytwarzania stali i odlewania: segregacja, porowatość, wcześniejszy stopień przerobu kuźniczego, naprawa spawalnicza lub nierównomierne usuwanie naddatku mogą wpływać zarówno na przepływ ciepła, jak i na pole naprężeń własnych. Raporty U.S. Department of Energy i University of Iowa dotyczące odlewów stalowych łączą naprężenia powstające podczas nagrzewania i hartowania z odkształceniem, pękaniem, naprawami i właściwościami użytkowymi, a także podkreślają, że historia odlewania powinna być uwzględniana w prognozowaniu wymiarów.

Działanie korygujące powinno zmieniać kontrolowany zestaw zmiennych, przy jednoczesnym zachowaniu grupy porównawczej. Możliwe środki obejmują poprawę symetrii załadunku, zastosowanie podpór, które nie ograniczają przemiany, zmianę orientacji części, udoskonalenie procesu austenityzowania, zastosowanie odpowiedniego podgrzewania wstępnego, modyfikację intensywności mieszania lub temperatury medium chłodzącego, wprowadzenie hartowania przerywanego albo zmianę harmonogramu odpuszczania. Żadnej opcji nie należy wybierać wyłącznie na podstawie danych dotyczących odkształcenia; po jej wdrożeniu trzeba ponownie sprawdzić twardość, mikrostrukturę, występowanie pęknięć i naprężenia własne.

Sama zmiana intensywności chłodzenia może zamienić wygięcie na pękanie albo zmniejszyć jeden błąd wymiarowy, jednocześnie zwiększając ilość austenitu szczątkowego i późniejszy przyrost wymiarów. Wolniejsze chłodzenie może ograniczyć gradienty cieplne, ale sprzyjać powstawaniu bardziej miękkich produktów przemiany; szybsze chłodzenie może poprawić przebieg hartowania, a jednocześnie zwiększyć naprężenia przemianowe. Jak wyjaśnia raport Worcester Polytechnic Institute, odkształcenie hartownicze jest wynikiem sprzężenia wymiany ciepła, przemiany fazowej, naprężeń, odkształcenia i ewolucji mikrostruktury. Trafna diagnoza powinna zatem obejmować cały łańcuch zjawisk, a następnie prowadzić do zmiany procesu w miejscu, w którym dowody wskazują na występowanie decydującej nierównowagi.

## 17. Kluczowe rozróżnienia i często spotykane nieporozumienia

Odkształcenia powstałe podczas obróbki cieplnej i naprężenia resztkowe są ze sobą powiązane, ale nie są wymiennymi określeniami tego samego stanu. Element może wykazywać niewielką mierzalną zmianę kształtu, a jednocześnie zachowywać znaczne naprężenia wewnętrzne, albo może odkształcić się po obróbce skrawaniem, mimo że pierwotne naprężenia nie były widoczne na powierzchni. Prawidłowa ocena uwzględnia źródła odkształceń: gradienty temperatury, przemiany fazowe, odkształcenie plastyczne, geometrię, grubość przekroju, historię materiału oraz proces hartowania.

Publikacja ASM International *Residual Stresses and Distortion in Quenched and Tempered Steels* wskazuje naprężenia cieplne, przemianowe i hartownicze jako odrębne czynniki składowe. Przegląd z 2022 r. „Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels”, opublikowany w *Journal of Materials Engineering and Performance*, również traktuje wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór ośrodka chłodzącego i intensywność hartowania jako zmienne wzajemnie oddziałujące, a nie jako odizolowane przyczyny.

### Odkształcenie nie jest synonimem naprężenia resztkowego

Odkształcenie jest zmianą wymiarów lub geometrii elementu: wał wygina się, pierścień staje się owalny, na płycie powstaje wypaczenie w kształcie czaszy albo otwór przesuwa się względem swojego założonego położenia. Naprężenie resztkowe jest polem naprężeń wewnętrznych pozostającym po usunięciu obciążeń zewnętrznych i różnic temperatury. W jednym obszarze może mieć charakter rozciągający, a w innym ściskający, równoważąc się w obrębie elementu bez wywoływania oczywistej zmiany jego całkowitych wymiarów.

Oba zjawiska stają się ze sobą sprzężone, gdy naprężenie resztkowe powoduje odkształcenie plastyczne. Podczas hartowania powierzchnia chłodzi się i kurczy, zanim znajdujący się w wyższej temperaturze rdzeń będzie mógł się skurczyć wraz z nią. Jeżeli naprężenie lokalne przekroczy zależną od temperatury granicę plastyczności, pozostaje trwałe odkształcenie. Późniejsza przemiana martenzytyczna ponownie zmienia ten stan równowagi, ponieważ martenzyt zajmuje większą objętość niż austenit macierzysty. Element może zatem opuścić kąpiel hartowniczą zarówno ze zmienionym kształtem, jak i ze samorównoważącym się polem naprężeń.

Wynik pomiaru twardości nie rozstrzyga tego rozróżnienia. Koło zębate ze stali nawęglanej AISI 8620 może osiągnąć wymaganą twardość powierzchni, a jednocześnie wykazywać błąd bicia, austenit szczątkowy lub szkodliwy gradient naprężeń pod powierzchnią. Wał ze stali AISI 4140 może osiągnąć wymaganą twardość po hartowaniu w oleju i odpuszczaniu, a mimo to przemieścić się po wykonaniu rowka wpustowego lub usunięciu naddatku. *Metallurgy of Heat Treatment*, zachowana w archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology, szczegółowo opisuje wypaczenie podczas obróbki skrawaniem, gdy usuwanie materiału zaburza równowagę naprężeń resztkowych.

Rentgenowska dyfrakcja na powierzchni lub pomiary metodą wiercenia otworów również mają ograniczenia. Opisują one obszar przypowierzchniowy, a nie automatycznie stan naprężeń w całym rdzeniu. W przypadku grubego odkuwanego lub odlewanego elementu albo elementu nawęglanego, w którym występuje stromy gradient naprężeń, mogą być potrzebne dyfrakcja neutronowa, metody konturowe, rozcinanie lub zwalidowane modele procesu. Zmierzona wartość naprężenia na powierzchni może mieć nawet znak przeciwny do wartości w rdzeniu.

### Hartowanie nie jest jedynym źródłem zmian wymiarowych

Hartowanie często obarcza się odpowiedzialnością za zmiany wymiarów, ponieważ zachodzące podczas niego zmiany temperatury są szybkie, jednak zmiana wymiarów rozpoczyna się jeszcze przed wprowadzeniem elementu do ośrodka chłodzącego. Nagrzewanie może uwolnić naprężenia powstałe podczas obróbki skrawaniem, zmienić rozkład węglików i spowodować nierównomierne rozszerzanie. Odlew może już zawierać naprężenia resztkowe po krzepnięciu, nierównomiernym chłodzeniu, wystąpieniu miejsc przegrzanych, zastosowaniu nadlewów, naprawach spawalniczych lub zgrubnej obróbce skrawaniem. Raporty U.S. Department of Energy i University of Iowa dotyczące odlewów stali wiążą te naprężenia cieplne i resztkowe z odkształceniami, pękaniem, naprawami, naprawami spawalniczymi, błędami wymiarowymi i obniżeniem właściwości eksploatacyjnych. Historia odlewu musi zatem być uwzględniana w każdej prognozie końcowych wymiarów.

Odkształcenie przemianowe nie ogranicza się do martenzytu. Perlit, bainit, ferryt i martenzyt powstają w różnych zakresach temperatur i mają różne objętości właściwe. Plastyczność przemianowa może wystąpić, gdy przemiana fazowa przebiega pod obciążeniem, umożliwiając odkształcenie przy naprężeniach niższych od zwykłej granicy plastyczności. Austenit szczątkowy może później przemienić się podczas odpuszczania, chłodzenia, obciążenia eksploatacyjnego lub w wyniku ciepła szlifowania, powodując dodatkowe rozszerzenie lub lokalną zmianę kształtu. W stalach nawęglanych, takich jak AISI 52100 lub AISI 8620, gradient zawartości węgla zmienia hartowność, temperatury przemian, udział objętościowy martenzytu oraz zawartość austenitu szczątkowego od powierzchni do rdzenia.

Geometria decyduje o sposobie rozwoju tych zjawisk. Cienkie żebro chłodzi się szybko, podczas gdy masywna piasta pozostaje gorąca; ostry narożnik koncentruje przepływ ciepła i naprężenia; otwór zmienia powierzchnię chłodzenia oraz stopień ograniczenia odkształceń w przekroju. Znaczenie mają intensywność i równomierność hartowania, ale także temperatura ośrodka chłodzącego, jego ruch i mieszanie, orientacja elementu, gęstość załadunku oraz zachowanie warstwy parowej. Przegląd z 2022 r. opublikowany w *Journal of Materials Engineering and Performance* bezpośrednio opisuje te wzajemne oddziaływania. Raport Worcester Polytechnic Institute przedstawia odkształcenia hartownicze jako problem sprzężony, obejmujący wymianę ciepła, przemianę fazową, naprężenie, odkształcenie i ewolucję mikrostruktury.

Obróbka skrawaniem i szlifowanie mogą spowodować późniejszy etap zmian wymiarowych. Nierównomierne usuwanie naddatku odsłania naprężenia lub zmienia ich rozkład, natomiast szlifowanie może wytworzyć płytką warstwę zmienioną cieplnie oraz naprężenia związane z przemianą, jeżeli temperatura nie jest kontrolowana. Części I i II publikacji *International Journal of Materials and Product Technology* wskazują nierównomierne gradienty cieplne jako główne źródło odkształceń hartowniczych oraz omawiają warunki pracy ośrodka chłodzącego, utwardzanie powierzchniowe i warstwowe, austenit szczątkowy oraz szlifowanie końcowe.

### Redukcja naprężeń nie gwarantuje stabilności wymiarowej

Odpuszczanie zmniejsza część naprężeń hartowniczych i zmienia strukturę martenzytyczną, ale nie usuwa wszystkich składowych naprężeń ani nie gwarantuje, że wymiary pozostaną niezmienne. Wynik zależy od temperatury i czasu odpuszczania, równomierności nagrzewania i chłodzenia, grubości przekroju, składu chemicznego stopu, wcześniejszej przemiany oraz ilości austenitu szczątkowego. Odpuszczanie w niskiej temperaturze może pozostawić znaczne naprężenia; obróbka w wyższej temperaturze może wywołać dodatkową zdrowienie, wydzielanie węglików lub przemianę niestabilnego austenitu.

Mechaniczna redukcja naprężeń ma podobne ograniczenie. Obróbka wibracyjna, rozciąganie lub kontrolowane cykle cieplne mogą zmienić rozkład naprężeń bez skorygowania nieodpowiedniej geometrii, nierównomiernej mikrostruktury czy wady odlewniczej. Redukcja naprężeń może również ujawnić przemieszczenie, które wcześniej było powstrzymywane.

Publikacja ASM International *Basic Principles and Design Guidelines for Heat Treating of Steel* wskazuje minimalizowanie odkształceń i niepożądanych naprężeń resztkowych jako podstawowe kryteria projektowe, a nie jako wyniki, które automatycznie wynikają z osiągnięcia wymaganej twardości. Stabilność wymiarowa wymaga kontroli procesu i weryfikacji: należy wykonywać pomiary przed obróbką cieplną i po niej, kontrolować kluczowe cechy kształtu, uwzględniać kolejność obróbki skrawaniem, w uzasadnionych przypadkach badać austenit szczątkowy oraz dobierać metody pomiaru naprężeń reprezentatywne dla głębokości i geometrii elementu. Profil twardości jest użytecznym potwierdzeniem zachodzącej przemiany, ale nie stanowi dowodu, że całe pole naprężeń ani końcowy kształt są akceptowalne.

## 18. Tabele referencyjne i praktyczna lista kontrolna

Zapisy dotyczące obróbki cieplnej należy odczytywać jako łańcuch przyczyn, a nie jako izolowane wartości temperatury w piecu i chłodzenia hartowniczego. ASM International rozróżnia naprężenia własne pochodzenia cieplnego, przemianowego i hartowniczego, natomiast przegląd opublikowany w 2022 roku w czasopiśmie *Journal of Materials Engineering and Performance* opisuje wymianę ciepła, przemianę fazową, geometrię, grubość przekroju, dobór ośrodka chłodzącego oraz intensywność chłodzenia jako zmienne wzajemnie na siebie oddziałujące. Element może zatem spełniać wymagania dotyczące twardości, a mimo to przemieszczać się podczas obróbki skrawaniem, szlifowania lub eksploatacji.

### Tabela mechanizmów i objawów

| Mechanizm lub warunek | Prawdopodobna obserwacja | Co należy sprawdzić przed przypisaniem przyczyny |
|---|---|---|
| Nierównomierne chłodzenie powierzchni, przerywane mieszanie lub różna lokalna grubość przekroju | Ugięcie, skręcenie, owalność, stożkowatość lub nierównomierne odkształcenie po hartowaniu | Orientację elementu, rozmieszczenie na stojaku, przepływ ośrodka chłodzącego, zachowanie warstwy parowej, ostre przejścia, otwory oraz zmiany grubości od przekroju cienkiego do grubego |
| Skurcz cieplny zachodzący przed ochłodzeniem rdzenia | Rozciągające naprężenia powierzchniowe, ściskające naprężenia w rdzeniu, zmiana wymiarów lub lokalne uplastycznienie | Historię temperatury w przekroju, współczynniki wymiany ciepła oraz to, czy element był zamocowany lub ograniczony |
| Odkształcenie przemianowe związane z przemianą austenitu w martenzyt, bainit lub perlit | Przyrost wymiarów, skurcz, zmiana średnicy otworu, zmiana długości lub kształtu, której nie można wyjaśnić wyłącznie skurczem cieplnym | Gatunek stali, zawartość węgla i dodatków stopowych, hartowność, sekwencję przemian, szybkość chłodzenia oraz temperatury początku przemian |
| Różne czasy przemiany w warstwie powierzchniowej i w rdzeniu | Zginanie, odkształcenia wokół występów, gradienty naprężeń własnych lub opóźnione przemieszczenia podczas odpuszczania | Grubość przekroju, głębokość warstwy, mikrostrukturę rdzenia, austenit szczątkowy oraz jednorodność temperatury |
| Duża intensywność chłodzenia hartowniczego lub nadmierna różnica temperatur | Pęknięcia hartownicze, pęknięcia naroży, pęknięcia szlifierskie lub nagłe zniszczenie podczas kontroli | Rodzaj i temperatura ośrodka chłodzącego, jego stężenie, ruch, czas przenoszenia, czystość elementu oraz promienie naroży |
| Redystrybucja naprężeń własnych podczas usuwania materiału | Przemieszczenie obrobionej powierzchni, zamykanie się lub otwieranie otworu albo wygięcie wcześniej prostego elementu | Ilość materiału usuniętego z każdej strony, naddatek na obróbkę zgrubną, obróbkę odprężającą oraz kolejność operacji |
| Przemiana austenitu szczątkowego po hartowaniu | Opóźniony przyrost wymiarów, zmiana twardości lub przemieszczenie podczas odpuszczania, obróbki podzerowej albo eksploatacji | Końcową temperaturę hartowania, zawartość dodatków stopowych, harmonogram odpuszczania, pomiar austenitu szczątkowego oraz czas, który upłynął |
| Zlokalizowane nagrzewanie podczas szlifowania lub nadmierne usuwanie naddatku | Przypalenie odpuszczeniowe, rozciągające naprężenia powierzchniowe, pęknięcia szlifierskie lub stożkowatość wymiarowa | Specyfikację ściernicy, obciąganie, doprowadzanie chłodziwa, czas kontaktu, wyiskrzanie oraz kontrolę pod kątem przypaleń |
| Historia odlewania, kucia, spawania lub wcześniejszej obróbki skrawaniem | Odkształcenia różniące się między nominalnie identycznymi elementami | Mikrostrukturę wyjściową, segregację, wtrącenia, wcześniejsze odprężanie, prostowanie oraz świadectwa materiałowe |

Tabela ta jest pomocą diagnostyczną, a nie zamiennikiem badań metalograficznych lub zmierzonej historii cieplnej. Nierównomierne chłodzenie wskazuje przede wszystkim na odkształcenia, odkształcenie przemianowe — na przyrost wymiarów lub zmianę kształtu, a redystrybucja naprężeń własnych — na przemieszczenia podczas obróbki skrawaniem. Nadmierne naprężenia cieplne lub przemianowe zwiększają ryzyko pękania, jednak pękanie zależy również od wad, geometrii, stanu powierzchni oraz podatności stali na kruche zniszczenie.

### Lista kontrolna zapisów procesu

#### Najważniejsze elementy dokumentacji procesu

- **Materiał** Zarejestruj dokładne oznaczenie, postać wyrobu, numer wytopu lub odlewu, skład chemiczny oraz stan wyjściowy.
- **Geometria** Zarejestruj grubość przekroju, przejścia, otwory, zaokrąglenia, bazy pomiarowe i naddatek na obróbkę.
- **Nagrzewanie** Zarejestruj piec, rozmieszczenie wsadu, atmosferę, etapy podgrzewania wstępnego, szybkość nagrzewania oraz stan austenityzowania.
- **Hartowanie** Zarejestruj czynnik, temperaturę, stężenie lub lepkość, mieszanie, orientację oraz opóźnienie przenoszenia.
- **Wykańczanie** Zarejestruj odpuszczanie, usuwanie naddatku na obróbkę, warunki szlifowania oraz etapy kontroli.

Przed wyborem wyjaśnienia dotyczącego obróbki cieplnej należy zarejestrować stan materiału. Oznaczenie należy podać dokładnie w formie źródłowej, na przykład AISI 4140, ASTM A681 D2 lub ASTM A295 52100, a także odnotować właściwą normę wyrobu, numer wytopu, analizę chemiczną, wcześniejszy stan po wyżarzaniu lub normalizowaniu, wielkość ziarna, segregację, wtrącenia oraz wcześniejsze odkształcenie na zimno. Sama nominalna nazwa gatunku jest niewystarczająca przy porównywaniu wyników od różnych dostawców lub według różnych norm.

W odniesieniu do geometrii należy zachować oznaczenie wersji rysunku i zmierzyć wymiary gabarytowe, grubości przekrojów, stosunki długości do średnicy, grubość ścianek, otwory, rowki wpustowe, gwinty, zaokrąglenia, rowki, ostre naroża, asymetrię, układ baz oraz naddatek obróbkowy. Należy odnotować, czy przed obróbką cieplną element był kuty, walcowany, odlewany, spawany lub zmontowany. Raport techniczny University of Iowa dotyczący odlewów stali pokazuje, dlaczego historia odlewania musi pozostać elementem oceny wymiarów końcowych i naprężeń własnych.

Zapisy dotyczące nagrzewania powinny obejmować identyfikację pieca, status kalibracji, masę wsadu, sposób załadunku, punkty podparcia, atmosferę lub poziom próżni, etapy podgrzewania wstępnego, szybkości narastania temperatury, czas odzyskiwania temperatury przez piec oraz, jeśli są dostępne, pomiary temperatury elementu. W przypadku austenityzowania należy rejestrować temperaturę docelową, czas przebywania w tej temperaturze, szacowany lub zmierzony czas wyrównania temperatury w rdzeniu, potencjał węglowy, jeśli ma zastosowanie, skład atmosfery, stan powierzchni oraz informację, czy przed hartowaniem przeprowadzono nawęglanie, węgloazotowanie, azotowanie lub obróbkę próżniową.

Zapisy dotyczące hartowania powinny zawierać więcej niż tylko nazwę ośrodka. Należy odnotować skład oleju, wody, polimeru, solanki, gazu lub kąpieli solnej; temperaturę ośrodka chłodzącego; stężenie lub lepkość; szybkość i kierunek mieszania; jednorodność przepływu; opóźnienie przenoszenia; rozmieszczenie wsadu; orientację podczas zanurzania oraz wszelkie przerwy lub opóźnienia. Artykuły opublikowane w *International Journal of Materials and Product Technology* wskazują, że stan ośrodka chłodzącego, intensywność chłodzenia, hartowanie powierzchniowe i warstwowe oraz końcowe szlifowanie mają znaczenie dla naprężeń własnych.

W przypadku odpuszczania należy rejestrować czas przeniesienia od hartowania, temperaturę odpuszczania, czas przebywania elementu w temperaturze, liczbę cykli, jednorodność temperatury w piecu, sposób chłodzenia oraz wszelkie zabiegi kriogeniczne lub stabilizacyjne. Twardość należy mierzyć w zależności od położenia, a nie opierać się wyłącznie na jednym odczycie z powierzchni. Należy uwzględnić pomiary wymiarów przed obróbką cieplną, po hartowaniu, po odpuszczaniu, po obróbce zgrubnej, po obróbce wykańczającej oraz po szlifowaniu.

Zapisy dotyczące obróbki skrawaniem powinny określać zmiany baz, ilość materiału usuniętego w każdej operacji, siły mocowania, odkształcenia wynikające z zamocowania, tor ruchu narzędzia oraz czas między obróbką zgrubną a wykańczającą. Zapisy dotyczące szlifowania powinny obejmować rodzaj ściernicy, częstotliwość obciągania, głębokość dosuwu, prędkość posuwu, chłodziwo, wyiskrzanie oraz kontrole temperatury powierzchni lub przypaleń. Kontrola powinna obejmować mapowanie twardości, bazy wymiarowe, prostoliniowość, okrągłość, bicie, pęknięcia powierzchniowe, wyniki badań magnetyczno-proszkowych lub penetracyjnych, austenit szczątkowy, jeśli jest istotny, oraz pomiary naprężeń własnych, gdy uzasadnia to poziom ryzyka.

Dane wejściowe do symulacji muszą określać skład chemiczny lub gatunek stali, dane dotyczące przemian fazowych, właściwości zależne od temperatury, ciepło utajone, konstytutywne dane sprężysto-plastyczne, odkształcenie przemianowe, kinetykę przemian, hartowność, mikrostrukturę początkową, warunki kontaktu, charakterystykę wymiany ciepła ośrodka chłodzącego, mieszanie, ograniczenia wynikające z oprzyrządowania, wrażliwość na zagęszczenie siatki oraz rzeczywistą geometrię pieca i wsadu. Model, w którym pominięto odkształcenie przemianowe, może przewidywać chłodzenie, a jednocześnie nie uwzględniać głównego źródła zmiany kształtu.

### Pytania dotyczące interpretacji opublikowanych danych

W pierwszej kolejności należy ustalić, jaka stal i jaki stan wyrobu były badane. Określenie „stal narzędziowa” może oznaczać ASTM A681 D2, AISI H13 lub inny materiał o odmiennej hartowności i charakterystyce przemian. Czy próbka była cienkim kuponem, pierścieniem, kołem zębatym, odlewem czy prętem kutym? Grubość przekroju i geometria mogą zmienić gradient temperatury na tyle, że pozorny wpływ ustawienia hartowania ulegnie odwróceniu.

Następnie należy ustalić, czy podana temperatura jest temperaturą pieca, powierzchni czy rdzenia. Czy mieszanie ośrodka chłodzącego zmierzono, czy jedynie opisano jako „umiarkowane”? Czy kontrolowano stężenie, lepkość, temperaturę kąpieli, czas przenoszenia i rozmieszczenie wsadu? Bez tych informacji liczbowa wartość odkształcenia nie jest przenośna.

Należy sprawdzić metodę pomiaru i układ baz. Zgłoszona zmiana długości może obejmować sprężysty powrót, zwolnienie z zamocowania, przemianę austenitu szczątkowego lub odniesienie pomiarowe różniące się od rysunku produkcyjnego. Trzeba ustalić, czy wynik uzyskano po hartowaniu, po odpuszczaniu, po obróbce skrawaniem czy po szlifowaniu.

Na koniec należy oddzielić dowody od zaleceń. Wynik przedstawiony w przeglądzie z 2022 roku *Residual Stress and Distortion during Quench Hardening of Steels* wspiera rozumowanie uwzględniające sprzężenie procesów; nie ustanawia jednak uniwersalnej intensywności chłodzenia ani dopuszczalnego odkształcenia. Żadnej liczbowej granicy odkształcenia ani uniwersalnych parametrów procesu nie należy przenosić między elementami bez zweryfikowania gatunku stali, normy, geometrii, wyposażenia oraz historii obróbki cieplnej.

**Zwięzłe podsumowanie:** nierównomierne chłodzenie → odkształcenia; odkształcenie przemianowe → przyrost wymiarów lub zmiana kształtu; redystrybucja naprężeń własnych → przemieszczenia podczas obróbki skrawaniem; nadmierne naprężenia cieplne lub przemianowe → ryzyko pękania. Zależności te znajdują potwierdzenie w materiałach ASM International, przeglądzie z 2022 roku opublikowanym w *Journal of Materials Engineering and Performance*, raporcie Worcester Polytechnic Institute dotyczącym sprzężonej wymiany ciepła i zmian mikrostrukturalnych, archiwum danych materiałowych National Institute of Standards and Technology oraz badaniach opublikowanych w *International Journal of Materials and Product Technology*.

## Źródła

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. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#wiki-cite-ref-1) https://doi.org/10.1007/s11665-022-06667-x
2. \[2\] Authors of the IJMPT discussions. [Residual Stresses in Quenched Steel: Parts I and II](<https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007941; https://doi.org/10.1504/IJMPT.2005.007942>). International Journal of Materials and Product Technology, 2005. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#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. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#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. [](/pl/wiki/obr%C3%B3bka-cieplna/odkszta%C5%82cenia-powsta%C5%82e-podczas-obr%C3%B3bki-cieplnej-i-napr%C4%99%C5%BCenia-resztkowe-w-stali#wiki-cite-ref-4) https://materialsdata.nist.gov/bitstream/handle/11115/189/Metallurgy%20of%20Heat%20Treatment.pdf

 **Na pierwszy rzut oka**

Główne źródła naprężeń szczątkowych

Naprężenia cieplne, przemianowe i hartownicze

Główne rodzaje odkształceń

Ugięcie, wygięcie, skręcenie, owalność, stożkowatość, wzrost i skurcz

Kluczowe zmienne procesu

Gradienty temperatury, przemiany fazowe, geometria, grubość przekroju i intensywność chłodzenia

 [Powrót do Obróbka cieplna](/pl/wiki/obróbka-cieplna "Obróbka cieplna — Steel Wiki")