Przemianom strukturalnym zachodzącym podczas hartowania
towarzyszą zawsze zmiany objętości właściwej stali. Przedmiot zahartowany ma
większą objętość, niż miał w stanie początkowym. wyżarzonym. Objętość właściwa
struktur, przez jakie przechodzi stal w czasie hartowania wzrasta bowiem w
kolejności: austenit — perlit — martenzyt. Różnicą między objętością właściwą
martenzytu i perlitu jest tym większa, im większa jest zawartość węgla, i
dochodzi do ok. 1%. Zmiany objętości są zaś oczywiście jednoznaczne ze zmianami
wymiarów liniowych przedmiotu hartowanego — objawem, który daje się nie przyjemnie
odczuć zwłaszcza przy produkcji narzędzi precyzyjnych. Drugim niepożądanym zjawiskiem
spotykanym przy hartowaniu jest paczenie się przedmiotów pod wpływem naprężeń własnych,
wywiązujących się w nich podczas szybkiego chłodzenia od wysokiej temperatury.
Naprężenia te są dwojakiego pochodzenia. Jedne są pochodzenia czysto cieplnego
i powstają wskutek tego, że przy szybkim oziębianiu poszczególne części przedmiotu
stygną i kurczą się z różną szybkością. Warstwy zewnętrzne stygną szybciej, wskutek
czego szybciej się również kurczą. Wywierają one, zatem nacisk na części
wewnętrzne, wolniej stygnące, a więc i wolniej się kurczące, czyli wywołują w
nich naprężenia ściskające. Same zaś, na odwrót, podlegają naprężeniom
rozciągającym. Przy końcu stygnięcia sytuacja jest odwrotna; zbliżające się do temperatury
otoczenia części wewnętrzne dążą do przybrania małej objętości, naturalnej dla niskiej
temperatury. Przeszkadzają im w tym jednak warstwy zewnętrzne, które ostygły wcześniej
i wskutek tego zostały jakby „rozdęte” przez rdzeń mający wówczas jeszcze
wyższą temperaturę i zwiększoną objętość. Strefy zewnętrzne podlegają, zatem
obecnie naprężeniom ściskającym, a wewnętrzne rozciągającym.
Taki rozkład naprężeń własnych utrzymałby się w każdym
przedmiocie hartowanym, gdyby nie druga kategoria naprężeń — natury
strukturalnej — występujących przy hartowaniu przedmiotów stalowych. Naprężenia
te wywołuje przemiana austenitu w martenzyt, połączona ze znacznym zwiększeniem
objętości. Rozkład austenitu nie odbywa się jednocześnie w całej masie
hartowanego przedmiotu, lecz w poszczególnych jego częściach w różnym czasie, w
miarę jak osiągają one temperaturę przemiany. Wskutek tego powstają w nich
dodatkowe naprężenia własne, których wielkość i kierunek zmieniają się, jak
przy poprzednich, w zależności od zmian rozkładu temperatury wewnątrz
przedmiotu.
Naprężenia jednego i drugiego typu dodają się lub
odejmują od siebie, zależnie od swych kierunków (znaków, a wypadkowe ich w
poszczególnych częściach przekroju zmieniają też z biegiem oziębiania swą
wielkość i znak. Bywają więc chwile, gdy oba typy naprężeń wzmacniają się, jak
i takie, kiedy się nawzajem osłabiają. Wielkości naprężeń wypadkowych będących
właśnie naprężeniami hartowniczymi zależą od wielu czynników, głównie jednak od
szybkości chłodzenia, tj. od rodzaju ośrodka chłodzącego, od składu chemicznego
stali (różne przewodnictwo cieplne, różne zmiany objętości właściwej przy
przemianie) oraz od wymiarów i kształtu przedmiotu hartowanego.
Przebieg zmian naprężeń podczas chłodzenia jest więc
skomplikowany i trudny do zanalizowania. Równie trudno jest przewidzieć jak i
zmierzyć ostateczny ich wynik, tj. wielkość i rozkład naprężeń ostatecznych w
przedmiocie całkowicie oziębionym. W narzędziach wykonanych ze stali nie
przehartowujących się, środkowa część przekroju nie podlega przemianie
martenzytycznej, lecz austenit rozkłada się w niej na perlit bądź bainit, co
odbywa się przy wyższej temperaturze i połączone jest z nieco mniejszą zmianą
objętości. W takich przypadkach wiadomo przynajmniej, że po zupełnym
ostygnięciu narzędzia występują w warstwie zewnętrznej naprężenia ściskające, a
tylko wielkość ich jest nam nieznana. Jeżeli natomiast chodzi o przedmioty
przehartowane na wskroś, to nawet rozkład naprężeń ostatecznych może się w nich
zmieniać od przypadku do przypadku.
Naprężenia hartownicze powstają w przedmiocie hartowanym
już w chwili zanurzenia go do cieczy chłodzącej i utrzymują się w nim po całkowitym
ostygnięciu. Wielkości ich mogą być w niektórych fazach chłodzenia bardzo
znaczne; w skrajnych przypadkach naprężenia rozciągające mogą przekroczyć
wytrzymałość stali i spowodować pęknięcia hartownicze. Tym łatwiej oczywiście
mogą one wywołać odkształcenia, tj. spowodować skrzywienie się albo wypaczenie
przedmiotu. Dzieje się to wówczas, gdy zmiany rozkładu „naprężeń w przedmiocie
hartowanym nie przebiegają symetrycznie w całym jego przekroju, dzięki bądź to
jego złożonemu kształtowi, bądź niesymetrycznemu odprowadzaniu ciepła.
Przyczyną zaś niesymetrycznego od- prowadzania ciepła może być nieprawidłowy
sposób zanurzania w cieczy albo miejscowe zmniejszenie odpływu ciepła, np.
wskutek przyczepiania się pęcherzyków pary, nieodpowiedni kształt narzędzia
itp.
Najprostszym i najskuteczniejszym sposobem uniknięcia
albo zmniejszenia szkodliwych następstw naprężeń wewnętrznych będzie oczywiście
wytworzenie takich warunków, w których by powstające naprężenia były jak
najmniejsze i jak najmniejsza asymetria w ich rozkładzie. Jeżeli chodzi o
zależności rządzące wielkością ostatecznych naprężeń hartowniczych, to
wiadomości nasze są bardzo ograniczone. Nie ulega jednak wątpliwości, że
naprężenia pochodzenia cieplnego są tym mniejsze, im powolniejsze chłodzenie;
również symetria rozkładu naprężeń wzrasta niewątpliwie ze spadkiem szybkości
chłodzenia. Zgodnie z tym, codzienna praktyka wykazuje, że niebezpieczeństwo
odkształceń hartowniczych wzrasta z szybkością oziębiania; najłatwiej i
najwięcej odkształcają się przedmioty hartowane w wodzie, znacznie mniej —
hartowane w oleju, a najmniej — hartowane w powietrzu i stopniowo. Można zatem
powiedzieć, że skłonność do paczenia się jest tym mniejsza, im większa
hartowność stali.