شامل ومفصل! معرفة كاملة بتبريد الفولاذ!

تعريف وهدف الإخماد
يُسخَّن الفولاذ إلى درجة حرارة أعلى من النقطة الحرجة Ac3 (فولاذ تحت-أوتكتويد) أو Ac1 (فولاذ فوق-أوتكتويد)، ويُحفظ لفترة زمنية حتى يُصبح مُؤَسْتَنِتًا كليًا أو جزئيًا، ثم يُبرَّد بسرعة تفوق سرعة الإخماد الحرجة. تُسمى عملية المعالجة الحرارية التي تُحوِّل الأوستينيت المُبرَّد إلى مارتنسيت أو بينيت أدنى، بالإخماد.

الغرض من التبريد هو تحويل الأوستينيت فائق التبريد إلى مارتنسيت أو بينيت للحصول على بنية مارتنسيت أو بينيت أدنى، ثم يُدمج مع التطبيع بدرجات حرارة مختلفة لتحسين قوة وصلابة ومقاومته بشكل كبير. كما يُحسّن قابلية التآكل ومقاومة التعب والمتانة، وغيرها، لتلبية متطلبات الاستخدام المختلفة للأجزاء والأدوات الميكانيكية المختلفة. كما يُمكن استخدام التبريد لتلبية الخصائص الفيزيائية والكيميائية الخاصة لبعض أنواع الفولاذ الخاصة، مثل المغناطيسية الحديدية ومقاومة التآكل.

عندما يتم تبريد أجزاء الفولاذ في وسط التبريد مع تغيرات في الحالة الفيزيائية، يتم تقسيم عملية التبريد بشكل عام إلى المراحل الثلاث التالية: مرحلة الفيلم البخاري، ومرحلة الغليان، ومرحلة الحمل الحراري.

قابلية تصلب الفولاذ
القابلية للتصلب وقابلية التصلب مؤشران للأداء يُميزان قدرة الفولاذ على الخضوع للتبريد. كما أنهما أساس مهم لاختيار المواد واستخدامها.

1. مفهومي الصلابة وقابلية التصلب

التصلد هو قدرة الفولاذ على تحقيق أعلى صلابة ممكنة عند تبريده وتصليبه في ظروف مثالية. العامل الرئيسي الذي يحدد قابلية التصلد هو نسبة الكربون فيه. وبشكل أدق، هي نسبة الكربون المذابة في الأوستينيت أثناء التبريد والتسخين. كلما زادت نسبة الكربون، زادت قابلية التصلد. مع أن تأثير عناصر السبائك في الفولاذ ضئيل على قابلية التصلد، إلا أن تأثيرها كبير.

تشير قابلية التصلب إلى الخصائص التي تحدد عمق التصلب وتوزيع صلابة الفولاذ في ظروف محددة. أي القدرة على الحصول على عمق الطبقة المتصلبة عند تبريد الفولاذ. وهي خاصية متأصلة في الفولاذ. تعكس قابلية التصلب في الواقع سهولة تحول الأوستينيت إلى مارتنسيت عند تبريد الفولاذ. وترتبط بشكل رئيسي باستقرار الأوستينيت فائق التبريد للفولاذ، أو بمعدل التبريد الحرج للتبريد.

يجب الإشارة أيضًا إلى أنه يجب التمييز بين قابلية التصلب للفولاذ وعمق التصلب الفعال لأجزاء الفولاذ في ظل ظروف تبريد محددة. إن قابلية التصلب للفولاذ هي خاصية متأصلة في الفولاذ نفسه. إنها تعتمد فقط على عواملها الداخلية ولا علاقة لها بالعوامل الخارجية. لا يعتمد عمق قابلية التصلب الفعال للفولاذ على قابلية التصلب للفولاذ فحسب، بل يعتمد أيضًا على المادة المستخدمة. إنه مرتبط بعوامل خارجية مثل وسط التبريد وحجم قطعة العمل. على سبيل المثال، في ظل نفس ظروف الأوستنيت، تكون قابلية التصلب لنفس الفولاذ هي نفسها، ولكن عمق التصلب الفعال للتبريد المائي أكبر من التبريد الزيتي، والأجزاء الصغيرة أصغر من التبريد الزيتي. عمق التصلب الفعال للأجزاء الكبيرة كبير. لا يمكن القول أن التبريد المائي له قابلية تصلب أعلى من التبريد الزيتي. لا يمكن القول أن الأجزاء الصغيرة لها قابلية تصلب أعلى من الأجزاء الكبيرة. يمكن ملاحظة أنه لتقييم قابلية صلابة الفولاذ، يجب التخلص من تأثير العوامل الخارجية مثل شكل قطعة العمل وحجمها ووسط التبريد وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى ذلك، بما أن التصلب وقابلية التصلب مفهومان مختلفان، فإن الفولاذ ذو الصلابة العالية بعد الإخماد لا يتمتع بالضرورة بتصلب عالي؛ وقد يتمتع الفولاذ ذو الصلابة المنخفضة أيضًا بتصلب عالي.

2. العوامل المؤثرة على قابلية التصلب

تعتمد قابلية تصلب الفولاذ على ثبات الأوستينيت. أي عامل يُحسّن ثبات الأوستينيت فائق التبريد، ويُحرّك منحنى C إلى اليمين، وبالتالي يُقلّل من معدل التبريد الحرج، يُمكن أن يُحسّن قابلية تصلب الفولاذ عالي الكثافة. يعتمد ثبات الأوستينيت بشكل أساسي على تركيبه الكيميائي، وحجم حبيباته، وتجانس تركيبه، والتي ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالتركيب الكيميائي للفولاذ وظروف التسخين.

3. طريقة قياس الصلابة

هناك العديد من الطرق لقياس صلابة الفولاذ، وأكثرها استخدامًا هي طريقة قياس القطر الحرج وطريقة اختبار صلابة النهاية.

(1)طريقة قياس القطر الحرج

بعد إخماد الفولاذ في وسط معين، يُسمى القطر الأقصى الذي يصل إليه القلب عند احتواءه على بنية مارتنسيت كاملة أو ٥٠٪ منها بالقطر الحرج، ويُمثل بـ Dc. تتمثل طريقة قياس القطر الحرج في صنع سلسلة من القضبان المستديرة بأقطار مختلفة، وبعد الإخماد، يُقاس منحنى الصلابة U الموزع على طول القطر في كل مقطع عينة، ثم يُحدد القضيب الذي يحتوي على بنية مارتنسيت شبه مركزية. يُمثل قطر القضيب الدائري القطر الحرج. كلما زاد القطر الحرج، زادت صلابة الفولاذ.

(2) طريقة اختبار إخماد النهاية

تستخدم طريقة اختبار التبريد النهائي عينةً مُبردةً نهائيًا ذات حجم قياسي (25 مم × 100 مم). بعد الأوستنيت، يُرشّ الماء على أحد طرفي العينة باستخدام جهاز خاص لتبريدها. بعد التبريد، تُقاس الصلابة على طول المحور - بدءًا من الطرف المُبرّد بالماء. طريقة اختبار لمنحنى علاقة المسافة. تُعد طريقة اختبار التصلب النهائي إحدى طرق تحديد قابلية تصلب الفولاذ. ومن مزاياها سهولة التشغيل ونطاق تطبيقها الواسع.

4. إجهاد الإخماد والتشوه والتشقق

(1) الإجهاد الداخلي لقطعة العمل أثناء الإطفاء

عند تبريد قطعة العمل بسرعة في وسط التبريد، ونظرًا لحجمها ومعامل التوصيل الحراري لها، يحدث تدرج حراري معين على طول الجزء الداخلي منها أثناء عملية التبريد. تكون درجة حرارة السطح منخفضة، ودرجة حرارة القلب مرتفعة، ودرجة حرارة السطح والقلب مرتفعة أيضًا. يحدث فرق في درجة الحرارة. أثناء عملية تبريد قطعة العمل، تحدث ظاهرتان فيزيائيتان: الأولى هي التمدد الحراري، حيث يتقلص طول خط القطع مع انخفاض درجة الحرارة؛ والثانية هي تحول الأوستينيت إلى مارتنسيت عند وصول درجة الحرارة إلى نقطة تحول مارتنسيت، مما يزيد من الحجم النوعي. بسبب اختلاف درجة الحرارة أثناء عملية التبريد، يختلف مقدار التمدد الحراري في أجزاء مختلفة على طول المقطع العرضي لقطعة العمل، وينشأ إجهاد داخلي في أجزاء مختلفة من قطعة العمل. ونظرًا لوجود فروق في درجات الحرارة داخل قطعة العمل، فقد تنخفض درجة الحرارة في بعض الأجزاء بشكل أسرع من نقطة تحول مارتنسيت. أثناء التحول، يتمدد الحجم، وتظل الأجزاء ذات درجة الحرارة العالية أعلى من النقطة، وتظل في حالة أوستينيتية. تُولّد هذه الأجزاء المختلفة أيضًا إجهادًا داخليًا نتيجةً لاختلاف التغيرات في الحجم النوعي. لذلك، قد يتولد نوعان من الإجهاد الداخلي أثناء عمليتي الإخماد والتبريد: الإجهاد الحراري، والإجهاد النسيجي.

وفقًا لخصائص الإجهاد الداخلي، يُمكن تقسيمه أيضًا إلى إجهاد لحظي وإجهاد متبقي. يُسمى الإجهاد الداخلي الناتج عن قطعة العمل في لحظة معينة أثناء عملية التبريد إجهادًا لحظيًا؛ وبعد تبريد قطعة العمل، يُسمى الإجهاد المتبقي داخلها إجهادًا متبقيًا.

يشير الإجهاد الحراري إلى الإجهاد الناتج عن التمدد الحراري غير المتسق (أو الانكماش البارد) بسبب اختلافات درجات الحرارة في أجزاء مختلفة من قطعة العمل عند تسخينها (أو تبريدها).

الآن خذ أسطوانة صلبة كمثال لتوضيح قواعد تكوين وتغير الإجهاد الداخلي أثناء عملية التبريد. تتم مناقشة الإجهاد المحوري فقط هنا. في بداية التبريد، نظرًا لأن السطح يبرد بسرعة، تكون درجة الحرارة منخفضة، ويتقلص كثيرًا، بينما يتم تبريد القلب، تكون درجة الحرارة عالية، والانكماش صغير. ونتيجة لذلك، يتم تقييد السطح والداخل بشكل متبادل، مما ينتج عنه إجهاد شد على السطح، بينما يكون القلب تحت ضغط. الإجهاد. مع استمرار التبريد، يزداد فرق درجة الحرارة بين الداخل والخارج، ويزداد الإجهاد الداخلي أيضًا وفقًا لذلك. عندما يزيد الإجهاد ليتجاوز قوة الخضوع عند درجة الحرارة هذه، يحدث التشوه البلاستيكي. نظرًا لأن سمك القلب أعلى من سمك السطح، فإن القلب ينكمش دائمًا محوريًا أولاً. ونتيجة للتشوه البلاستيكي، لم يعد الإجهاد الداخلي يزداد. بعد التبريد لفترة زمنية معينة، سيتباطأ انخفاض درجة حرارة السطح تدريجيًا، وسيقل انكماشه تدريجيًا أيضًا. في هذا الوقت، لا يزال القلب يتقلص، لذا فإن إجهاد الشد على السطح وإجهاد الضغط على القلب سينخفضان تدريجيًا حتى يختفيا. ومع ذلك، مع استمرار التبريد، تنخفض رطوبة السطح أكثر فأكثر، ويصبح مقدار الانكماش أقل فأقل، أو حتى يتوقف عن الانكماش. ونظرًا لأن درجة الحرارة في القلب لا تزال مرتفعة، فسيستمر في التقلص، وأخيرًا سيتشكل إجهاد ضغط على سطح قطعة العمل، بينما سيتعرض القلب لإجهاد شد. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض درجة الحرارة، يصعب حدوث تشوه بلاستيكي، لذلك سيزداد هذا الإجهاد مع استمرار التبريد. ويستمر في الزيادة ويبقى أخيرًا داخل قطعة العمل كإجهاد متبقي.

يمكن ملاحظة أن الإجهاد الحراري أثناء عملية التبريد يتسبب في البداية في تمدد الطبقة السطحية وضغط القلب، والإجهاد المتبقي هو ضغط الطبقة السطحية وتمدد القلب.

باختصار، الإجهاد الحراري الناتج عن التبريد بالإخماد ناتج عن فرق درجة حرارة المقطع العرضي أثناء عملية التبريد. كلما زاد معدل التبريد وفرق درجة حرارة المقطع العرضي، زاد الإجهاد الحراري الناتج. في ظل نفس ظروف وسط التبريد، كلما ارتفعت درجة حرارة تسخين قطعة العمل، زاد حجمها، وانخفضت الموصلية الحرارية للفولاذ، وزاد فرق درجة الحرارة داخل قطعة العمل، وزاد الإجهاد الحراري. إذا تم تبريد قطعة العمل بشكل غير متساوٍ عند درجة حرارة عالية، فسوف تتشوه. إذا كان إجهاد الشد اللحظي الناتج عن عملية التبريد لقطعة العمل أكبر من قوة شد المادة، فستحدث شقوق التبريد.

يشير إجهاد التحول الطوري إلى الإجهاد الناتج عن التوقيت المختلف للتحول الطوري في أجزاء مختلفة من قطعة العمل أثناء عملية المعالجة الحرارية، والمعروف أيضًا باسم إجهاد الأنسجة.

أثناء الإخماد والتبريد السريع، عندما تبرد الطبقة السطحية إلى نقطة Ms، يحدث تحول مارتنسيتي ويسبب تمددًا في الحجم. ومع ذلك، نظرًا لعرقلة القلب الذي لم يخضع للتحول بعد، تولد الطبقة السطحية إجهادًا ضاغطًا، بينما يكون للقلب إجهاد شد. عندما يكون الإجهاد كبيرًا بما يكفي، فإنه سيسبب تشوهًا. عندما يبرد القلب إلى نقطة Ms، فإنه سيخضع أيضًا للتحول المارتنسيتي ويتمدد في الحجم. ومع ذلك، نظرًا لقيود الطبقة السطحية المحولة ذات اللدونة المنخفضة والقوة العالية، فإن إجهادها المتبقي النهائي سيكون في شكل توتر سطحي، وسيتعرض القلب للضغط. يمكن ملاحظة أن التغيير والحالة النهائية لإجهاد تحول الطور معاكسان تمامًا للإجهاد الحراري. علاوة على ذلك، نظرًا لأن إجهاد تغير الطور يحدث في درجات حرارة منخفضة مع اللدونة المنخفضة، فإن التشوه يكون صعبًا في هذا الوقت، لذلك من المرجح أن يتسبب إجهاد تغير الطور في تشقق قطعة العمل.

هناك العديد من العوامل التي تؤثر على حجم إجهاد التحول الطوري. كلما كان معدل تبريد الفولاذ أسرع في نطاق درجة حرارة تحويل المارتنسيت، كلما كان حجم قطعة الفولاذ أكبر، كانت الموصلية الحرارية للفولاذ أسوأ، وكلما زاد الحجم النوعي للمارتنسيت، زاد إجهاد التحول الطوري. كلما زاد. بالإضافة إلى ذلك، يرتبط إجهاد التحول الطوري أيضًا بتركيب الفولاذ وقابليته للتصلب. على سبيل المثال، يزيد الفولاذ عالي الكربون عالي السبائك من الحجم النوعي للمارتنسيت بسبب محتواه العالي من الكربون، مما يجب أن يزيد من إجهاد التحول الطوري للفولاذ. ومع ذلك، مع زيادة محتوى الكربون، تنخفض نقطة Ms، وهناك كمية كبيرة من الأوستينيت المحتجز بعد التبريد. ينخفض ​​تمدده الحجمي ويكون الإجهاد المتبقي منخفضًا.

(2) تشوه قطعة العمل أثناء الإطفاء

أثناء الإخماد، هناك نوعان رئيسيان من التشوه في قطعة العمل: الأول هو التغيير في الشكل الهندسي لقطعة العمل، والذي يتجلى في تغييرات في الحجم والشكل، وغالبًا ما تسمى تشوه الانحناء، والذي يحدث بسبب إجهاد الإخماد؛ والآخر هو تشوه الحجم. ، والذي يتجلى في شكل توسع أو انكماش متناسب لحجم قطعة العمل، والذي يحدث بسبب التغيير في الحجم النوعي أثناء تغيير الطور.

يشمل تشوه الالتواء أيضًا تشوه الشكل والالتواء. ينتج تشوه الالتواء بشكل رئيسي عن وضع غير صحيح لقطعة العمل في الفرن أثناء التسخين، أو عدم معالجة التشكيل بعد تصحيح التشوه قبل الإخماد، أو التبريد غير المتساوي لأجزاء مختلفة من قطعة العمل عند تبريدها. يمكن تحليل هذا التشوه ومعالجته في حالات محددة. فيما يلي مناقشة رئيسية لتشوه الحجم والشكل.

1) أسباب تشوه الإخماد وقواعده المتغيرة

تشوه الحجم الناتج عن التحول الهيكلي. تكون الحالة الهيكلية لقطعة العمل قبل التبريد عادةً بيرليت، أي بنية مختلطة من الفريت والسمنتيت، وبعد التبريد تصبح بنية مارتنسيتية. يؤدي اختلاف الأحجام النوعية لهذه الأنسجة إلى تغيرات في الحجم قبل التبريد وبعده، مما يؤدي إلى تشوه. ومع ذلك، فإن هذا التشوه يؤدي فقط إلى تمدد وتقلص قطعة العمل بشكل متناسب، وبالتالي لا يتغير شكلها.

بالإضافة إلى ذلك، كلما زادت نسبة المارتنسيت في الهيكل بعد المعالجة الحرارية، أو زادت نسبة الكربون فيه، زاد تمدده الحجمي، وكلما زادت كمية الأوستينيت المحتجز، قلّ تمدده الحجمي. لذلك، يمكن التحكم في تغير الحجم من خلال التحكم في المحتوى النسبي للمارتنسيت والمارتنسيت المتبقي أثناء المعالجة الحرارية. إذا تم التحكم بشكل صحيح، فلن يتمدد الحجم ولن يتقلص.

تشوه الشكل الناتج عن الإجهاد الحراري يحدث التشوه الناتج عن الإجهاد الحراري في المناطق ذات درجات الحرارة العالية حيث تكون قوة الخضوع للأجزاء الفولاذية منخفضة، واللدونة عالية، ويبرد السطح بسرعة، ويكون الفرق في درجة الحرارة بين داخل وخارج قطعة العمل هو الأكبر. في هذا الوقت، يكون الإجهاد الحراري اللحظي هو إجهاد الشد السطحي وإجهاد الضغط الأساسي. ونظرًا لارتفاع درجة حرارة القلب في هذا الوقت، تكون قوة الخضوع أقل بكثير من السطح، لذلك يتجلى ذلك في شكل تشوه تحت تأثير إجهاد الضغط متعدد الاتجاهات، أي أن المكعب كروي في الاتجاه. التنوع. والنتيجة هي أن الأكبر ينكمش، بينما يتمدد الأصغر. على سبيل المثال، تقصر الأسطوانة الطويلة في اتجاه الطول وتتمدد في اتجاه القطر.

تشوه الشكل الناتج عن إجهاد الأنسجة يحدث التشوه الناتج عن إجهاد الأنسجة أيضًا في اللحظة المبكرة التي يكون فيها إجهاد الأنسجة هو الحد الأقصى. في هذا الوقت، يكون فرق درجة حرارة المقطع العرضي كبيرًا، وتكون درجة حرارة اللب أعلى، ولا يزال في حالة الأوستينيت، وتكون اللدونة جيدة، وتكون قوة الخضوع منخفضة. إجهاد الأنسجة اللحظي هو إجهاد ضغط السطح وإجهاد شد اللب. لذلك، يتجلى التشوه على أنه استطالة اللب تحت تأثير إجهاد الشد متعدد الاتجاهات. والنتيجة هي أنه تحت تأثير إجهاد الأنسجة، يستطيل الجانب الأكبر من قطعة العمل، بينما يقصر الجانب الأصغر. على سبيل المثال، التشوه الناتج عن إجهاد الأنسجة في أسطوانة طويلة هو استطالة في الطول وانخفاض في القطر.

يوضح الجدول 5.3 قواعد تشوه الإخماد لأجزاء الفولاذ النموذجية المختلفة.

2) العوامل المؤثرة على تشوه الإخماد

العوامل التي تؤثر على تشوه الإخماد هي بشكل أساسي التركيب الكيميائي للصلب والبنية الأصلية وهندسة الأجزاء وعملية المعالجة الحرارية.

3) إخماد الشقوق

تحدث الشقوق في الأجزاء بشكل رئيسي في المراحل المتأخرة من الإخماد والتبريد، أي بعد اكتمال التحول المارتنسيتي أو التبريد الكامل، حيث يحدث انهيار هش لأن إجهاد الشد في الأجزاء يتجاوز قوة كسر الفولاذ. عادةً ما تكون الشقوق عمودية على اتجاه أقصى تشوه شد، لذا يعتمد اختلاف أشكال الشقوق في الأجزاء بشكل أساسي على حالة توزيع الإجهاد.

أنواع شائعة من شقوق الإخماد: تتشكل الشقوق الطولية (المحورية) بشكل رئيسي عندما يتجاوز إجهاد الشد المماسي قوة كسر المادة؛ وتتشكل الشقوق العرضية عندما يتجاوز إجهاد الشد المحوري الكبير المتشكل على السطح الداخلي للقطعة قوة كسر المادة. الشقوق؛ تتشكل الشقوق الشبكية تحت تأثير إجهاد الشد ثنائي الأبعاد على السطح؛ تحدث الشقوق المتقشرة في طبقة صلبة رقيقة جدًا، والتي قد تحدث عندما يتغير الإجهاد بشكل حاد ويؤثر إجهاد الشد المفرط في الاتجاه الشعاعي. نوع من الشقوق.

تُسمى الشقوق الطولية أيضًا بالشقوق المحورية. تحدث الشقوق عند أقصى إجهاد شد بالقرب من سطح القطعة، ولها عمق معين باتجاه المركز. يكون اتجاه الشقوق عادةً موازيًا للمحور، ولكنه قد يتغير أيضًا عند وجود تركيز للإجهاد في القطعة أو وجود عيوب هيكلية داخلية.

بعد إخماد قطعة العمل تمامًا، تكون الشقوق الطولية أكثر عرضة للظهور. ويرتبط ذلك بإجهاد الشد الظاهري الكبير على سطحها. ومع زيادة محتوى الكربون في الفولاذ، يزداد احتمال تكوين شقوق طولية. يتميز الفولاذ منخفض الكربون بحجم نوعي صغير من المارتنسيت وإجهاد حراري قوي. ويوجد إجهاد ضغط متبقٍ كبير على السطح، مما يصعب إخماده. ومع زيادة محتوى الكربون، ينخفض ​​إجهاد الضغط السطحي ويزداد الإجهاد الهيكلي. وفي الوقت نفسه، يتحرك إجهاد الشد الأقصى نحو الطبقة السطحية. لذلك، يكون الفولاذ عالي الكربون أكثر عرضة لشقوق الإخماد الطولية عند ارتفاع درجة حرارته.

يؤثر حجم الأجزاء بشكل مباشر على حجم وتوزيع الإجهاد المتبقي، كما يختلف ميل التشقق الناتج عن الإخماد. تتشكل الشقوق الطولية بسهولة أيضًا عن طريق الإخماد ضمن نطاق حجم المقطع العرضي الخطير. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتسبب انسداد المواد الخام الفولاذية في حدوث شقوق طولية. نظرًا لأن معظم أجزاء الفولاذ مصنوعة من الدرفلة، فإن الشوائب غير الذهبية والكربيدات وما إلى ذلك في الفولاذ موزعة على طول اتجاه التشوه، مما يتسبب في أن يكون الفولاذ متباين الخواص. على سبيل المثال، إذا كان لفولاذ الأداة بنية تشبه الشريط، فإن قوة الكسر العرضي بعد الإخماد تكون أصغر بنسبة 30٪ إلى 50٪ من قوة الكسر الطولي. إذا كانت هناك عوامل مثل الشوائب غير الذهبية في الفولاذ التي تسبب تركيز الإجهاد، حتى لو كان الإجهاد المماسي أكبر من الإجهاد المحوري، فإن الشقوق الطولية يسهل تشكيلها في ظل ظروف الإجهاد المنخفض. ولهذا السبب، فإن الرقابة الصارمة على مستوى الشوائب غير المعدنية والسكر في الفولاذ تشكل عاملاً مهماً في منع حدوث الشقوق الناتجة عن الإخماد.

خصائص توزيع الإجهاد الداخلي للشقوق العرضية والقوسية هي: يتعرض السطح لإجهاد انضغاطي. بعد مغادرة السطح لمسافة معينة، يتحول الإجهاد الانضغاطي إلى إجهاد شد كبير. يحدث التشقق في منطقة إجهاد الشد، وعندما ينتشر الإجهاد الداخلي إلى سطح القطعة، لا يمكن إعادة توزيعه أو زيادة هشاشة الفولاذ.

غالبًا ما تحدث الشقوق العرضية في أجزاء العمود الكبيرة، مثل البكرات أو دوارات التوربينات أو أجزاء العمود الأخرى. تتمثل خصائص الشقوق في أنها عمودية على اتجاه المحور وتتكسر من الداخل إلى الخارج. غالبًا ما تتشكل قبل أن تتصلب وتنتج عن الإجهاد الحراري. غالبًا ما تحتوي المسبوكات الكبيرة على عيوب معدنية مثل المسام والشوائب وشقوق المسبوكات والبقع البيضاء. تعمل هذه العيوب كنقطة بداية للكسر وتنكسر تحت تأثير إجهاد الشد المحوري. تحدث شقوق القوس بسبب الإجهاد الحراري وعادةً ما تكون موزعة على شكل قوس في الأجزاء التي يتغير فيها شكل القطعة. تحدث بشكل رئيسي داخل قطعة العمل أو بالقرب من الحواف الحادة والأخاديد والثقوب، وتتوزع على شكل قوس. عندما لا يتم إخماد أجزاء الفولاذ عالي الكربون التي يبلغ قطرها أو سمكها من 80 إلى 100 مم أو أكثر، سيظهر على السطح إجهاد ضغط وسيظهر على المركز إجهاد شد. الإجهاد، يحدث أقصى إجهاد شد في منطقة الانتقال من الطبقة المتصلبة إلى الطبقة غير المتصلبة، وتحدث شقوق قوسية في هذه المناطق. بالإضافة إلى ذلك، يكون معدل التبريد عند الحواف والزوايا الحادة سريعًا، وتُخمد جميعها. عند الانتقال إلى الأجزاء الناعمة، أي إلى المنطقة غير المتصلبة، تظهر هنا منطقة أقصى إجهاد شد، مما يزيد من احتمالية حدوث شقوق قوسية. يكون معدل التبريد بالقرب من ثقب الدبوس أو الأخدود أو الثقب المركزي لقطعة العمل بطيئًا، وتكون الطبقة المتصلبة المقابلة رقيقة، ويمكن أن يتسبب إجهاد الشد بالقرب من منطقة الانتقال المتصلبة بسهولة في حدوث شقوق قوسية.

الشقوق الشبكية، والمعروفة أيضًا بالشقوق السطحية، هي شقوق سطحية. عمقها ضحل، يتراوح عادةً بين 0.01 و1.5 مم. السمة الرئيسية لهذا النوع من الشقوق هي أن اتجاهها العشوائي لا علاقة له بشكل القطعة. تتصل العديد من الشقوق ببعضها البعض لتشكل شبكة، وهي موزعة على نطاق واسع. عندما يكون عمق الشق أكبر، كأن يزيد عن 1 مم، تختفي خصائص الشبكة وتصبح شقوقًا عشوائية الاتجاه أو موزعة طوليًا. ترتبط الشقوق الشبكية بحالة إجهاد الشد ثنائي الأبعاد على السطح.

تكون الأجزاء الفولاذية عالية الكربون أو المكربنة ذات الطبقة السطحية منزوعة الكربون عرضة لتكوين شقوق شبكية أثناء الإخماد. ويرجع ذلك إلى أن الطبقة السطحية تحتوي على نسبة كربون أقل وحجم نوعي أصغر من الطبقة الداخلية للمارتنسيت. أثناء الإخماد، تتعرض الطبقة السطحية للكربيد لإجهاد شد. كما أن الأجزاء التي لم تُزال طبقة إزالة الفسفور منها تمامًا أثناء المعالجة الميكانيكية ستشكل أيضًا شقوقًا شبكية أثناء إخماد السطح عالي التردد أو اللهب. لتجنب هذه الشقوق، يجب التحكم بدقة في جودة سطح الأجزاء، ويجب منع اللحام المؤكسد أثناء المعالجة الحرارية. بالإضافة إلى ذلك، بعد استخدام قالب التشكيل لفترة زمنية معينة، تنتمي جميع شقوق التعب الحراري التي تظهر في الشرائط أو الشبكات في التجويف والشقوق في عملية طحن الأجزاء المخمدّة إلى هذا النوع.

تحدث شقوق التقشير في منطقة ضيقة جدًا من الطبقة السطحية. يعمل الإجهاد الانضغاطي في الاتجاهين المحوري والمماس، ويحدث الإجهاد الشد في الاتجاه الشعاعي. تكون الشقوق موازية لسطح الجزء. ينتمي تقشير الطبقة الصلبة بعد تبريد أجزاء التبريد السطحي والكربنة إلى مثل هذه الشقوق. يرتبط حدوثه بالهيكل غير المتساوي في الطبقة الصلبة. على سبيل المثال، بعد تبريد الفولاذ المكربن ​​بالسبائك بسرعة معينة، يكون الهيكل في الطبقة المكربنة هو: الطبقة الخارجية من بيرليت ناعم للغاية + كربيد، والطبقة الفرعية هي مارتنسيت + أوستينيت متبقي، والطبقة الداخلية هي بيرليت ناعم أو هيكل بيرليت ناعم للغاية. نظرًا لأن الحجم النوعي لتكوين مارتنسيت الطبقة الفرعية هو الأكبر، فإن نتيجة تمدد الحجم هي أن الإجهاد الانضغاطي يعمل على الطبقة السطحية في الاتجاهين المحوري والمماس، ويحدث الإجهاد الشد في الاتجاه الشعاعي، وتحدث طفرة الإجهاد إلى الداخل، والانتقال إلى حالة الإجهاد الانضغاطي، وتقشير الشقوق تحدث في مناطق رقيقة للغاية حيث ينتقل الإجهاد بشكل حاد. بشكل عام، تكمن الشقوق في الداخل بالتوازي مع السطح، وفي الحالات الشديدة قد تسبب تقشير السطح. إذا تم تسريع أو تقليل معدل تبريد الأجزاء المكربنة، يمكن الحصول على بنية مارتنسيت موحدة أو بنية بيرليت فائقة الدقة في الطبقة المكربنة، والتي يمكن أن تمنع حدوث مثل هذه الشقوق. بالإضافة إلى ذلك، أثناء إخماد السطح عالي التردد أو اللهب، غالبًا ما يكون السطح ساخنًا جدًا ويمكن أن يؤدي عدم التجانس الهيكلي على طول الطبقة المتصلبة بسهولة إلى تكوين مثل هذه الشقوق السطحية.

تختلف الشقوق الدقيقة عن الشقوق الأربعة المذكورة سابقًا في أنها ناتجة عن إجهادات دقيقة. الشقوق بين الحبيبات التي تظهر بعد إخماد، أو ارتفاع درجة الحرارة، أو طحن فولاذ الأدوات عالي الكربون أو قطع العمل المكربنة، بالإضافة إلى الشقوق الناتجة عن عدم معالجة الأجزاء المُخمّدة في الوقت المناسب، كلها مرتبطة بوجود شقوق دقيقة في الفولاذ وتوسعها لاحقًا.

يجب فحص الشقوق الدقيقة تحت المجهر. تحدث عادةً عند حدود حبيبات الأوستينيت الأصلية أو عند تقاطع صفائح المارتنسيت. تخترق بعض الشقوق صفائح المارتنسيت. تُظهر الأبحاث أن الشقوق الدقيقة أكثر شيوعًا في المارتنسيت المتقشر المزدوج. والسبب هو أن المارتنسيت المتقشر يصطدم ببعضه البعض عند نموه بسرعة عالية، مما يُولّد إجهادًا عاليًا. ومع ذلك، فإن المارتنسيت المتقشر نفسه هش ولا يمكنه إنتاج تشوه بلاستيكي يُرخي الإجهاد، مما يُسبب بسهولة الشقوق الدقيقة. حبيبات الأوستينيت خشنة، وتزداد قابليتها للتشققات الدقيقة. سيؤدي وجود الشقوق الدقيقة في الفولاذ إلى تقليل قوة ومرونة الأجزاء المُخمّدة بشكل كبير، مما يؤدي إلى تلفها المبكر (كسرها).

لتجنب التشققات الدقيقة في قطع الفولاذ عالي الكربون، يمكن اتخاذ تدابير مثل خفض درجة حرارة التسخين بالإخماد، والحصول على بنية مارتنسيت دقيقة، وتقليل محتوى الكربون في المارتنسيت. بالإضافة إلى ذلك، يُعدّ التطبيع في الوقت المناسب بعد التطبيع طريقة فعالة لتقليل الإجهاد الداخلي. وقد أثبتت الاختبارات أنه بعد تطبيع كافٍ فوق 200 درجة مئوية، تُحدث الكربيدات المترسبة عند الشقوق تأثير "لحام" الشقوق، مما يُقلل بشكل كبير من مخاطر التشققات الدقيقة.

يتناول ما سبق أسباب الشقوق وطرق الوقاية منها بناءً على نمط توزيعها. في الإنتاج الفعلي، يختلف توزيع الشقوق باختلاف عوامل مثل جودة الفولاذ، وشكل القطعة، وتقنية المعالجة الساخنة والباردة. في بعض الأحيان، تكون الشقوق موجودة بالفعل قبل المعالجة الحرارية وتتوسع أكثر أثناء عملية الإخماد؛ وقد تظهر أحيانًا أشكال متعددة من الشقوق في القطعة نفسها في نفس الوقت. في هذه الحالة، بناءً على الخصائص المورفولوجية للشق، يجب استخدام التحليل العياني لسطح الكسر، والفحص المعدني، وعند الضرورة، التحليل الكيميائي وطرق أخرى لإجراء تحليل شامل من جودة المادة، والهيكل التنظيمي، إلى أسباب إجهاد المعالجة الحرارية، لتحديد الشق. الأسباب الرئيسية، ثم تحديد التدابير الوقائية الفعالة.

يُعد تحليل كسور الشقوق طريقةً مهمةً لتحليل أسبابها. لكل كسر نقطة بداية للشقوق. عادةً ما تبدأ شقوق الإخماد من نقطة التقاء الشقوق الشعاعية.

إذا كان مصدر الشق موجودًا على سطح القطعة، فهذا يعني أن الشق ناتج عن إجهاد شد مفرط على السطح. إذا لم تكن هناك عيوب هيكلية كالشوائب على السطح، ولكن كانت هناك عوامل تركيز إجهاد مثل آثار السكاكين الشديدة، أو قشور الأكسيد، أو الزوايا الحادة للأجزاء الفولاذية، أو الأجزاء ذات الطفرات الهيكلية، فقد تحدث شقوق.

إذا كان مصدر الكسر داخل القطعة، فيكون مرتبطًا بعيوب مادية أو إجهاد شد داخلي متبقٍ زائد. سطح الكسر في حالة التبريد العادي يكون رمادي اللون وخشنًا. أما إذا كان رماديًا داكنًا وخشنًا، فيكون ناتجًا عن ارتفاع درجة الحرارة أو سماكة النسيج الأصلي.

بشكل عام، يجب ألا يكون هناك لون أكسدة على القسم الزجاجي من شق الإخماد، ويجب ألا يكون هناك إزالة للكربون حول الشق. إذا كان هناك إزالة للكربون حول الشق أو لون مؤكسد على قسم الشق، فهذا يشير إلى أن الجزء كان به بالفعل شقوق قبل الإخماد، وستتوسع الشقوق الأصلية تحت تأثير إجهاد المعالجة الحرارية. إذا شوهدت كربيدات وشوائب منفصلة بالقرب من شقوق الجزء، فهذا يعني أن الشقوق مرتبطة بالفصل الشديد للكربيدات في المادة الخام أو وجود شوائب. إذا ظهرت الشقوق فقط في الزوايا الحادة أو أجزاء طفرة الشكل من الجزء دون الظاهرة المذكورة أعلاه، فهذا يعني أن الشق ناتج عن التصميم الهيكلي غير المعقول للجزء أو التدابير غير المناسبة لمنع الشقوق، أو الإجهاد المفرط للمعالجة الحرارية.

علاوةً على ذلك، غالبًا ما تظهر الشقوق في أجزاء المعالجة الحرارية الكيميائية والتبريد السطحي بالقرب من الطبقة المتصلبة. يُعدّ تحسين بنية الطبقة المتصلبة وتقليل إجهاد المعالجة الحرارية من أهمّ الطرق لتجنب الشقوق السطحية.