Zmiany wymiarów i kształtu podczas hartowania i odpuszczania

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.