شامل ومفصل! معرفة كاملة بعملية تبريد الفولاذ!

تعريف وغرض التبريد
يُسخّن الفولاذ إلى درجة حرارة أعلى من النقطة الحرجة Ac3 (للفولاذ تحت اليوتكتويدي) أو Ac1 (للفولاذ فوق اليوتكتويدي)، ويُحافظ على هذه الحرارة لفترة زمنية محددة لتحويله كليًا أو جزئيًا إلى الأوستنيت، ثم يُبرّد بسرعة أكبر من سرعة التبريد الحرجة. تُسمى عملية المعالجة الحرارية التي تُحوّل الأوستنيت فائق التبريد إلى مارتنسيت أو بينيت سفلي بالتبريد.

تهدف عملية التبريد السريع إلى تحويل الأوستنيت فائق التبريد إلى مارتنسيت أو باينيت للحصول على بنية مارتنسيتية أو باينيتية سفلية، والتي تُدمج بعد ذلك مع عملية التلدين عند درجات حرارة مختلفة لتحسين قوة وصلابة ومقاومة الفولاذ بشكل كبير. كما تُحسّن هذه العملية مقاومة التآكل، ومقاومة الإجهاد، والمتانة، وغيرها، لتلبية متطلبات الاستخدام المختلفة للأجزاء والأدوات الميكانيكية المتنوعة. ويمكن أيضًا استخدام التبريد السريع لتلبية الخصائص الفيزيائية والكيميائية الخاصة لبعض أنواع الفولاذ، مثل المغناطيسية الحديدية ومقاومة التآكل.

عندما يتم تبريد الأجزاء الفولاذية في وسط تبريد مع تغيرات في الحالة الفيزيائية، فإن عملية التبريد تنقسم عمومًا إلى المراحل الثلاث التالية: مرحلة غشاء البخار، ومرحلة الغليان، ومرحلة الحمل الحراري.

قابلية تصلب الفولاذ
تُعدّ قابلية التصليد وقابلية التصليد مؤشرين للأداء يُحددان قدرة الفولاذ على الخضوع للتبريد السريع. كما أنهما أساس مهم لاختيار المواد واستخدامها.

1. مفاهيم قابلية التصلب وقابلية التصلب

قابلية التصليد هي قدرة الفولاذ على بلوغ أعلى صلابة ممكنة عند تبريده وتصليده في ظروف مثالية. العامل الرئيسي المحدد لقابلية التصليد هو محتوى الكربون في الفولاذ، وتحديدًا محتوى الكربون المذاب في الأوستنيت أثناء التبريد والتسخين. كلما زاد محتوى الكربون، زادت قابلية التصليد. للعناصر المضافة في الفولاذ تأثير طفيف على قابلية التصليد، ولكن تأثيرها على قابلية التصليد يكون كبيرًا.

تشير قابلية التصليد إلى الخصائص التي تحدد عمق التصليد وتوزيع الصلابة في الفولاذ تحت ظروف محددة. أي القدرة على الحصول على عمق طبقة التصليد عند تبريد الفولاذ بسرعة. وهي خاصية متأصلة في الفولاذ. وتعكس قابلية التصليد في الواقع سهولة تحول الأوستنيت إلى مارتنسيت عند تبريد الفولاذ بسرعة. وترتبط بشكل أساسي باستقرار الأوستنيت فائق التبريد في الفولاذ، أو بمعدل التبريد الحرج للفولاذ أثناء التبريد السريع.

تجدر الإشارة أيضًا إلى ضرورة التمييز بين قابلية الفولاذ للتصلب وعمق التصلب الفعال لأجزاء الفولاذ في ظل ظروف تبريد محددة. فقابلية الفولاذ للتصلب خاصية جوهرية فيه، تعتمد فقط على عوامله الداخلية ولا تتأثر بالعوامل الخارجية. أما عمق التصلب الفعال، فلا يعتمد فقط على قابلية الفولاذ للتصلب، بل يعتمد أيضًا على المادة المستخدمة، ويرتبط بعوامل خارجية كوسط التبريد وحجم قطعة العمل. فعلى سبيل المثال، في ظل ظروف الأوستنة نفسها، تكون قابلية التصلب للفولاذ نفسه متساوية، لكن عمق التصلب الفعال في التبريد بالماء أكبر منه في التبريد بالزيت، ويكون أصغر في الأجزاء الصغيرة مقارنةً بالأجزاء الكبيرة. وهذا لا يعني بالضرورة أن التبريد بالماء يُعطي قابلية تصلب أعلى من التبريد بالزيت، ولا يعني بالضرورة أن الأجزاء الصغيرة تُعطي قابلية تصلب أعلى من الأجزاء الكبيرة. يتضح أنه لتقييم قابلية الفولاذ للتصلب، يجب التخلص من تأثير العوامل الخارجية مثل شكل قطعة العمل وحجمها ووسط التبريد وما إلى ذلك.

بالإضافة إلى ذلك، بما أن قابلية التصلب وقابلية التصلب مفهومان مختلفان، فإن الفولاذ ذو الصلابة العالية بعد التبريد السريع لا يتمتع بالضرورة بقابلية تصلب عالية؛ وقد يتمتع الفولاذ ذو الصلابة المنخفضة أيضًا بقابلية تصلب عالية.

2. العوامل المؤثرة على قابلية التصلب

تعتمد قابلية تصلب الفولاذ على استقرار الأوستنيت. أي عامل يُحسّن استقرار الأوستنيت فائق التبريد، ويُزيح منحنى C نحو اليمين، وبالتالي يُقلل معدل التبريد الحرج، يُمكن أن يُحسّن قابلية تصلب الفولاذ عالي الصلابة. يعتمد استقرار الأوستنيت بشكل أساسي على تركيبه الكيميائي، وحجم حبيباته، وتجانس تركيبه، وهي عوامل مرتبطة بالتركيب الكيميائي للفولاذ وظروف التسخين.

3. طريقة قياس قابلية التصلب

هناك العديد من الطرق لقياس قابلية تصلب الفولاذ، وأكثرها استخدامًا هي طريقة قياس القطر الحرج وطريقة اختبار قابلية التصلب النهائي.

(1) طريقة قياس القطر الحرج

بعد تبريد الفولاذ في وسط معين، يُطلق على القطر الأقصى الذي يكتسب فيه اللب بنية مارتنسيتية كاملة أو بنسبة 50% اسم القطر الحرج، ويُرمز له بـ Dc. تعتمد طريقة قياس القطر الحرج على صنع سلسلة من القضبان الدائرية بأقطار مختلفة، وبعد التبريد، يُقاس منحنى الصلابة U الموزع على طول القطر في كل مقطع من مقاطع العينة، ويُحدد القضيب ذو البنية شبه المارتنسيتية في المركز. هذا القطر هو القطر الحرج. كلما زاد القطر الحرج، زادت قابلية الفولاذ للتصليد.

(2) طريقة اختبار التبريد النهائي

تستخدم طريقة اختبار التبريد النهائي عينة قياسية مُبردة نهائيًا (قطر 25 مم × 100 مم). بعد عملية الأوستنة، يُرش الماء على أحد طرفي العينة باستخدام جهاز خاص لتبريدها. بعد التبريد، تُقاس الصلابة على طول محورها - بدءًا من الطرف المُبرد بالماء. تُعد هذه الطريقة إحدى طرق تحديد قابلية الفولاذ للتصليد، وتتميز بسهولة تطبيقها واتساع نطاق استخداماتها.

4. إجهاد التبريد، والتشوه، والتشقق

(1) الإجهاد الداخلي لقطعة العمل أثناء التبريد السريع

عند تبريد قطعة العمل بسرعة في وسط التبريد، ونظرًا لحجمها ومعامل توصيلها الحراري، ينشأ تدرج حراري على طول مقطعها الداخلي أثناء عملية التبريد. تكون درجة حرارة السطح منخفضة، بينما تكون درجة حرارة اللب مرتفعة، مما يُحدث فرقًا بينهما. وخلال عملية التبريد، تحدث ظاهرتان فيزيائيتان: الأولى هي التمدد الحراري، حيث يقل طول قطعة العمل مع انخفاض درجة الحرارة؛ والثانية هي تحول الأوستنيت إلى مارتنسيت عند انخفاض درجة الحرارة إلى نقطة التحول، مما يزيد من حجمها النوعي. ونتيجةً لاختلاف درجات الحرارة أثناء التبريد، يختلف مقدار التمدد الحراري في أجزاء مختلفة من مقطع قطعة العمل، مما يُولد إجهادًا داخليًا في هذه الأجزاء. وبسبب هذا التباين في درجات الحرارة، قد توجد أجزاء تنخفض فيها درجة الحرارة أسرع من نقطة تحول المارتنسيت. أثناء التحول، يتمدد الحجم، وتبقى الأجزاء ذات درجة الحرارة العالية أعلى من درجة حرارة التحول، وتبقى في حالة الأوستنيت. وتولد هذه الأجزاء المختلفة إجهادًا داخليًا نتيجةً لاختلاف تغيرات الحجم النوعية. لذا، قد يتولد نوعان من الإجهاد الداخلي أثناء عملية التبريد السريع: أحدهما إجهاد حراري، والآخر إجهاد نسيجي.

بحسب خصائص زمن وجود الإجهاد الداخلي، يمكن تقسيمه إلى إجهاد لحظي وإجهاد متبقٍ. يُطلق على الإجهاد الداخلي المتولد في قطعة العمل في لحظة معينة أثناء عملية التبريد اسم الإجهاد اللحظي؛ أما الإجهاد المتبقي داخل قطعة العمل بعد تبريدها فيُطلق عليه اسم الإجهاد المتبقي.

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

لنأخذ الآن أسطوانة صلبة كمثال لتوضيح قواعد تكوّن وتغيّر الإجهاد الداخلي أثناء عملية التبريد. سنناقش هنا الإجهاد المحوري فقط. في بداية التبريد، نظرًا لأن السطح يبرد بسرعة، تكون درجة الحرارة منخفضة، مما يؤدي إلى انكماش كبير، بينما يبرد اللب، فتكون درجة الحرارة مرتفعة، ويكون الانكماش طفيفًا. ونتيجة لذلك، يكون السطح والداخل مقيدين لبعضهما البعض، مما ينتج عنه إجهاد شد على السطح، بينما يتعرض اللب لإجهاد ضغط. مع استمرار التبريد، يزداد فرق درجة الحرارة بين الداخل والخارج، ويزداد الإجهاد الداخلي تبعًا لذلك. عندما يتجاوز الإجهاد حد المرونة عند هذه الدرجة، يحدث تشوه لدن. ولأن سمك اللب أكبر من سمك السطح، فإنه ينكمش دائمًا محوريًا أولًا. ونتيجة للتشوه اللدن، يتوقف الإجهاد الداخلي عن الزيادة. بعد فترة تبريد معينة، يتباطأ انخفاض درجة حرارة السطح تدريجيًا، ويقل انكماشه تدريجيًا أيضًا. في هذه المرحلة، لا يزال اللب ينكمش، لذا سيتناقص إجهاد الشد على السطح وإجهاد الضغط على اللب تدريجيًا حتى يختفيا. ومع ذلك، مع استمرار التبريد، تنخفض رطوبة السطح تدريجيًا، ويقل مقدار الانكماش، أو حتى يتوقف. ولأن درجة الحرارة في اللب لا تزال مرتفعة، فإنه سيستمر في الانكماش، وفي النهاية سيتشكل إجهاد ضغط على سطح قطعة العمل، بينما سيتعرض اللب لإجهاد شد. ولكن نظرًا لانخفاض درجة الحرارة، يصعب حدوث التشوه اللدن، لذا سيزداد هذا الإجهاد مع استمرار التبريد. ويستمر في الازدياد حتى يبقى داخل قطعة العمل كإجهاد متبقٍ.

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

باختصار، ينشأ الإجهاد الحراري أثناء التبريد السريع نتيجةً لاختلاف درجة الحرارة بين أجزاء القطعة أثناء عملية التبريد. فكلما زاد معدل التبريد وزاد فرق درجة الحرارة بين الأجزاء، زاد الإجهاد الحراري المتولد. وفي ظل ظروف التبريد نفسها، كلما ارتفعت درجة حرارة تسخين قطعة العمل، وكبر حجمها، وقلّت الموصلية الحرارية للفولاذ، وزاد فرق درجة الحرارة داخلها، زاد الإجهاد الحراري. وإذا تم تبريد قطعة العمل بشكل غير متساوٍ عند درجة حرارة عالية، فإنها ستتشوه. وإذا تجاوز إجهاد الشد اللحظي المتولد أثناء عملية التبريد مقاومة الشد للمادة، فستحدث تشققات ناتجة عن التبريد السريع.

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

أثناء التبريد السريع، عندما تبرد الطبقة السطحية إلى درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms)، يحدث تحول مارتنسيتي يؤدي إلى تمدد حجمي. ومع ذلك، ونظرًا لوجود اللب الذي لم يخضع للتحول بعد، تتولد إجهادات ضغط على الطبقة السطحية، بينما يتعرض اللب لإجهادات شد. وعندما يبلغ الإجهاد حدًا كافيًا، فإنه يُسبب تشوهًا. وعندما يبرد اللب إلى درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms)، فإنه يخضع أيضًا لتحول مارتنسيتي ويتمدد حجميًا. ولكن، نظرًا لوجود قيود على الطبقة السطحية المتحولة ذات اللدونة المنخفضة والقوة العالية، فإن الإجهاد المتبقي النهائي يكون على شكل توتر سطحي، ويتعرض اللب للضغط. يتضح أن تغير حالة إجهاد التحول الطوري وحالته النهائية معاكسان تمامًا للإجهاد الحراري. علاوة على ذلك، نظرًا لأن إجهاد التحول الطوري يحدث عند درجات حرارة منخفضة مع لدونة منخفضة، فإن التشوه يكون صعبًا في هذه الحالة، لذا فإن إجهاد التحول الطوري يكون أكثر عرضة للتسبب في تشقق قطعة العمل.

تؤثر عوامل عديدة على مقدار إجهاد التحول الطوري. فكلما زادت سرعة تبريد الفولاذ في نطاق درجة حرارة تحول المارتنسيت، وكبر حجم قطعة الفولاذ، وتراجعت موصليته الحرارية، وزاد الحجم النوعي للمارتنسيت، زاد إجهاد التحول الطوري. إضافةً إلى ذلك، يرتبط إجهاد التحول الطوري بتركيب الفولاذ وقابليته للتصليد. فعلى سبيل المثال، يزيد الفولاذ عالي الكربون وعالي السبائك من الحجم النوعي للمارتنسيت نتيجةً لمحتواه العالي من الكربون، مما يُفترض أن يزيد من إجهاد التحول الطوري. ومع ذلك، مع ازدياد محتوى الكربون، تنخفض درجة حرارة التحول المارتنسيتي (Ms)، ويبقى قدر كبير من الأوستنيت المتبقي بعد التبريد السريع. ويقل تمدد حجمه، وبالتالي ينخفض ​​الإجهاد المتبقي.

(2) تشوه قطعة العمل أثناء التبريد السريع

أثناء عملية التبريد السريع، يحدث نوعان رئيسيان من التشوه في قطعة العمل: الأول هو تغير الشكل الهندسي لقطعة العمل، والذي يتجلى في تغيرات الحجم والشكل، ويُسمى غالبًا تشوه الالتواء، وهو ناتج عن إجهاد التبريد السريع؛ والآخر هو تشوه الحجم، والذي يتجلى في تمدد أو انكماش حجم قطعة العمل بشكل متناسب، وهو ناتج عن تغير الحجم النوعي أثناء تغير الطور.

يشمل تشوه الالتواء أيضًا تشوه الشكل وتشوه الالتواء. وينتج تشوه الالتواء بشكل رئيسي عن وضع قطعة العمل بشكل غير صحيح في الفرن أثناء التسخين، أو عدم إجراء معالجة تشكيلية بعد تصحيح التشوه قبل التبريد السريع، أو التبريد غير المتساوي لأجزاء مختلفة من قطعة العمل أثناء تبريدها. ويمكن تحليل هذا التشوه وحلّه في حالات محددة. ويتناول ما يلي بشكل أساسي تشوه الحجم وتشوه الشكل.

1) أسباب تشوه التبريد السريع وقواعده المتغيرة

تشوه الحجم الناتج عن التحول البنيوي: عادةً ما تكون الحالة البنيوية لقطعة العمل قبل التبريد السريع عبارة عن بيرلايت، أي بنية مختلطة من الفريت والسمنتيت، وبعد التبريد السريع تصبح بنية مارتنسيتية. يؤدي اختلاف الأحجام النوعية لهذه الأنسجة إلى تغيرات في الحجم قبل التبريد السريع وبعده، مما ينتج عنه تشوه. ومع ذلك، فإن هذا التشوه يتسبب فقط في تمدد قطعة العمل وانكماشها بشكل متناسب، وبالتالي لا يغير شكلها.

بالإضافة إلى ذلك، كلما زادت نسبة المارتنسيت في البنية بعد المعالجة الحرارية، أو كلما ارتفع محتوى الكربون في المارتنسيت، زاد تمدد حجمه، وكلما زادت كمية الأوستنيت المتبقي، قلّ تمدد الحجم. لذا، يمكن التحكم في تغير الحجم من خلال التحكم في النسبة النسبية للمارتنسيت والمارتنسيت المتبقي أثناء المعالجة الحرارية. إذا تم التحكم فيهما بشكل صحيح، فلن يتمدد الحجم ولن ينكمش.

يحدث تشوه الشكل الناتج عن الإجهاد الحراري في المناطق ذات درجات الحرارة العالية حيث تكون مقاومة الخضوع لأجزاء الفولاذ منخفضة، واللدونة عالية، ويبرد السطح بسرعة، ويكون فرق درجة الحرارة بين داخل قطعة العمل وخارجها هو الأكبر. في هذه الحالة، يكون الإجهاد الحراري اللحظي عبارة عن إجهاد شد سطحي وإجهاد ضغط مركزي. نظرًا لارتفاع درجة حرارة المركز في هذه الحالة، تكون مقاومة الخضوع أقل بكثير من مقاومة السطح، لذا يظهر التشوه تحت تأثير إجهاد ضغط متعدد الاتجاهات، أي أن المكعب يصبح كرويًا في اتجاهات مختلفة. والنتيجة هي أن الجزء الأكبر ينكمش، بينما يتمدد الجزء الأصغر. على سبيل المثال، يتقلص طول الأسطوانة الطويلة ويتمدد قطرها.

يحدث تشوه الشكل الناتج عن إجهاد الأنسجة في اللحظة الأولى عندما يكون إجهاد الأنسجة في أقصى حالاته. في هذه اللحظة، يكون فرق درجة حرارة المقطع العرضي كبيرًا، وتكون درجة حرارة اللب أعلى، ولا يزال في حالة الأوستنيت، وتكون اللدونة جيدة، وقوة الخضوع منخفضة. يكون إجهاد الأنسجة اللحظي عبارة عن إجهاد ضغط سطحي وإجهاد شد في اللب. لذلك، يتجلى التشوه في 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، يكون التشوه الناتج عن إجهاد الأنسجة في أسطوانة طويلة عبارة عن استطالة في الطول وانخفاض في القطر.

يوضح الجدول 5.3 قواعد تشوه التبريد السريع لأجزاء الصلب النموذجية المختلفة.

2) العوامل المؤثرة على تشوه التبريد

العوامل التي تؤثر على تشوه التبريد هي بشكل رئيسي التركيب الكيميائي للصلب، والبنية الأصلية، وهندسة الأجزاء، وعملية المعالجة الحرارية.

3) إخماد الشقوق

تحدث الشقوق في الأجزاء بشكل رئيسي في المرحلة الأخيرة من التبريد السريع، أي بعد اكتمال التحول المارتنسيتي أو بعد التبريد الكامل، حيث يحدث الفشل الهش لأن إجهاد الشد في الأجزاء يتجاوز مقاومة الكسر للفولاذ. عادةً ما تكون الشقوق عمودية على اتجاه أقصى تشوه شد، لذا فإن أشكال الشقوق المختلفة في الأجزاء تعتمد بشكل أساسي على حالة توزيع الإجهاد.

أنواع شائعة من تشققات التبريد السريع: تتولد التشققات الطولية (المحورية) بشكل رئيسي عندما يتجاوز إجهاد الشد المماسي قوة تحمل المادة؛ وتتشكل التشققات العرضية عندما يتجاوز إجهاد الشد المحوري الكبير المتكون على السطح الداخلي للجزء قوة تحمل المادة؛ وتتشكل التشققات الشبكية تحت تأثير إجهاد الشد ثنائي الأبعاد على السطح؛ وتحدث تشققات التقشر في طبقة متصلبة رقيقة جدًا، والتي قد تحدث عندما يتغير الإجهاد بشكل حاد ويؤثر إجهاد شد مفرط في الاتجاه القطري.

تُسمى الشقوق الطولية أيضًا بالشقوق المحورية. تظهر الشقوق عند أقصى إجهاد شد بالقرب من سطح القطعة، وتمتد لعمق معين باتجاه المركز. يكون اتجاه الشقوق عادةً موازيًا للمحور، ولكن قد يتغير هذا الاتجاه عند وجود تركيز للإجهاد في القطعة أو عند وجود عيوب هيكلية داخلية.

بعد اكتمال عملية التبريد السريع للقطعة، يزداد احتمال ظهور الشقوق الطولية. ويعود ذلك إلى الإجهاد الشدّي المماسي الكبير على سطحها. ومع ازدياد نسبة الكربون في الفولاذ، يزداد ميلها لتكوّن هذه الشقوق. يتميز الفولاذ منخفض الكربون بصغر حجم المارتنسيت وارتفاع الإجهاد الحراري، مما يُولّد إجهادًا انضغاطيًا متبقيًا كبيرًا على سطحه، وبالتالي يصعب تبريده. ومع ازدياد نسبة الكربون، يقلّ الإجهاد الانضغاطي السطحي ويزداد الإجهاد البنيوي، وفي الوقت نفسه، ينتقل ذروة الإجهاد الشدّي نحو الطبقة السطحية. لذلك، يكون الفولاذ عالي الكربون أكثر عرضةً لتشققات التبريد الطولية عند تسخينه بشكل مفرط.

يؤثر حجم الأجزاء بشكل مباشر على حجم وتوزيع الإجهاد المتبقي، كما يختلف ميلها للتشقق أثناء التبريد السريع. تتشكل الشقوق الطولية بسهولة عند التبريد السريع ضمن نطاق حجم المقطع العرضي الخطير. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يتسبب انسداد المواد الخام الفولاذية في حدوث شقوق طولية. نظرًا لأن معظم الأجزاء الفولاذية تُصنع بالدرفلة، فإن الشوائب غير الذهبية، والكربيدات، وما إلى ذلك، تتوزع في الفولاذ على طول اتجاه التشوه، مما يجعل الفولاذ غير متجانس الخواص. على سبيل المثال، إذا كان فولاذ الأدوات ذا بنية شريطية، فإن مقاومته للكسر العرضي بعد التبريد السريع تكون أقل بنسبة 30% إلى 50% من مقاومته للكسر الطولي. في حال وجود عوامل مثل الشوائب غير الذهبية في الفولاذ التي تُسبب تركيز الإجهاد، حتى لو كان الإجهاد المماسي أكبر من الإجهاد المحوري، فمن السهل تشكل الشقوق الطولية في ظل ظروف الإجهاد المنخفض. ولهذا السبب، فإن التحكم الصارم في مستوى الشوائب غير المعدنية والسكر في الفولاذ هو عامل مهم في منع تشققات التبريد.

تتميز خصائص توزيع الإجهاد الداخلي للشقوق المستعرضة والشقوق القوسية بما يلي: يتعرض السطح لإجهاد انضغاطي. بعد ابتعاده عن السطح لمسافة معينة، يتحول الإجهاد الانضغاطي إلى إجهاد شد كبير. يحدث الشق في منطقة إجهاد الشد، ثم ينتشر الإجهاد الداخلي إلى سطح الجزء فقط في حال إعادة توزيعه أو زيادة هشاشة الفولاذ.

تكثر الشقوق العرضية في أجزاء الأعمدة الكبيرة، مثل البكرات ودوارات التوربينات وغيرها. وتتميز هذه الشقوق بأنها عمودية على محور الدوران وتبدأ من الداخل إلى الخارج. وغالبًا ما تتشكل قبل التصلب نتيجة الإجهاد الحراري. كما تحتوي المشغولات الكبيرة المطروقة على عيوب معدنية، مثل المسامات والشوائب وشقوق التشكيل والبقع البيضاء. وتُعد هذه العيوب نقطة انطلاق للكسر، حيث يحدث الكسر تحت تأثير إجهاد الشد المحوري. أما الشقوق القوسية، فتنتج عن الإجهاد الحراري، وتنتشر عادةً على شكل قوس في الأجزاء التي يتغير فيها شكل القطعة. وتحدث هذه الشقوق بشكل رئيسي داخل قطعة العمل أو بالقرب من الحواف الحادة والأخاديد والثقوب. وعندما لا تخضع أجزاء الفولاذ عالي الكربون التي يبلغ قطرها أو سمكها 80 إلى 100 مم أو أكثر لعملية التبريد السريع، فإن سطحها يُظهر إجهادًا انضغاطيًا، بينما يُظهر مركزها إجهادًا شديًا. يحدث أقصى إجهاد شد في منطقة الانتقال من الطبقة المتصلبة إلى الطبقة غير المتصلبة، وتظهر تشققات قوسية في هذه المناطق. بالإضافة إلى ذلك، يكون معدل التبريد سريعًا عند الحواف والزوايا الحادة، مما يؤدي إلى تبريدها بالكامل. عند الانتقال إلى الأجزاء الأقل تصلبًا، أي إلى المنطقة غير المتصلبة، تظهر منطقة أقصى إجهاد شد هنا، مما يجعل تشققات القوس أكثر عرضة للظهور. يكون معدل التبريد بطيئًا بالقرب من ثقب الدبوس أو الأخدود أو الثقب المركزي لقطعة العمل، وتكون الطبقة المتصلبة المقابلة رقيقة، ويمكن أن يتسبب إجهاد الشد بالقرب من منطقة الانتقال المتصلبة بسهولة في حدوث تشققات قوسية.

الشقوق الشبكية، والمعروفة أيضًا بالشقوق السطحية، هي شقوق سطحية. يكون عمقها ضحلًا، ويتراوح عادةً بين 0.01 و1.5 ملم. السمة الرئيسية لهذا النوع من الشقوق هي أن اتجاهها لا يرتبط بشكل القطعة. تتصل العديد من الشقوق ببعضها لتشكل شبكةً وتنتشر على نطاق واسع. عندما يزداد عمق الشق، مثلًا إلى أكثر من 1 ملم، تختفي خصائص الشبكة وتصبح الشقوق عشوائية الاتجاه أو موزعة طوليًا. ترتبط الشقوق الشبكية بحالة إجهاد الشد ثنائي الأبعاد على السطح.

تُعدّ الأجزاء المصنوعة من الفولاذ عالي الكربون أو الفولاذ المُكربن، والتي تحتوي على طبقة منزوعة الكربون على سطحها، عرضةً لتكوّن شقوق شبكية أثناء عملية التبريد السريع. ويعود ذلك إلى انخفاض محتوى الكربون في الطبقة السطحية وصغر حجمها النوعي مقارنةً بالطبقة الداخلية من المارتنسيت. وخلال عملية التبريد السريع، تتعرض الطبقة السطحية من الكربيد لإجهاد شدّ. كما تتكوّن شقوق شبكية في الأجزاء التي لم تُزل طبقة إزالة الفوسفور منها بالكامل أثناء المعالجة الميكانيكية، وذلك أثناء التبريد السريع عالي التردد أو التبريد السطحي باللهب. ولتجنب هذه الشقوق، يجب مراقبة جودة سطح الأجزاء بدقة، ومنع اللحام التأكسدي أثناء المعالجة الحرارية. إضافةً إلى ذلك، وبعد استخدام قالب التشكيل لفترة معينة، تظهر شقوق الإجهاد الحراري على شكل شرائح أو شبكات في التجويف، وكذلك الشقوق الناتجة عن عملية طحن الأجزاء المُبرّدة.

تظهر شقوق التقشر في منطقة ضيقة جدًا من الطبقة السطحية. يعمل إجهاد الضغط في الاتجاهين المحوري والمماسي، بينما يعمل إجهاد الشد في الاتجاه القطري. وتكون هذه الشقوق موازية لسطح القطعة. ويندرج تقشر الطبقة المتصلبة بعد تبريد الأجزاء المعالجة بالتبريد السطحي والكربنة ضمن هذه الشقوق. ويرتبط ظهورها بعدم تجانس بنية الطبقة المتصلبة. فعلى سبيل المثال، بعد تبريد الفولاذ المكربن ​​بسرعة معينة، تكون بنية الطبقة المكربنة كالتالي: طبقة خارجية من البيرلايت فائق النعومة + الكربيد، وطبقة داخلية من المارتنسيت + الأوستنيت المتبقي، وطبقة داخلية من البيرلايت الناعم أو البيرلايت فائق النعومة. نظرًا لأن الحجم النوعي لتكوين طبقة المارتنسيت الفرعية هو الأكبر، فإن نتيجة تمدد الحجم هي أن إجهادًا ضاغطًا يؤثر على الطبقة السطحية في الاتجاهين المحوري والمماسي، بينما يحدث إجهاد شد في الاتجاه القطري. ويحدث تحول في الإجهاد نحو الداخل، ليتحول إلى حالة إجهاد ضاغط، وتظهر شقوق التقشر في المناطق الرقيقة جدًا حيث ينتقل الإجهاد بشكل حاد. عمومًا، تختبئ الشقوق في الداخل موازية للسطح، وفي الحالات الشديدة قد تتسبب في تقشر السطح. إذا تم تسريع أو تقليل معدل تبريد الأجزاء المكربنة، يمكن الحصول على بنية مارتنسيتية منتظمة أو بنية بيرلايتية فائقة الدقة في الطبقة المكربنة، مما يمنع حدوث مثل هذه الشقوق. بالإضافة إلى ذلك، أثناء التبريد السطحي عالي التردد أو باللهب، غالبًا ما يكون السطح ساخنًا جدًا، ويمكن أن يؤدي عدم التجانس الهيكلي على طول الطبقة المتصلبة إلى تكوين مثل هذه الشقوق السطحية بسهولة.

تختلف الشقوق الدقيقة عن الشقوق الأربعة المذكورة سابقاً في أنها ناتجة عن الإجهاد الدقيق. وترتبط الشقوق بين الحبيبات التي تظهر بعد التبريد السريع والتسخين الزائد والطحن لفولاذ الأدوات عالي الكربون أو قطع العمل المكربنة، بالإضافة إلى الشقوق الناتجة عن عدم التطبيع في الوقت المناسب للأجزاء المبردة، بوجود الشقوق الدقيقة وتوسعها اللاحق في الفولاذ.

يجب فحص الشقوق الدقيقة تحت المجهر. وهي عادةً ما تظهر عند حدود حبيبات الأوستنيت الأصلية أو عند التقاء صفائح المارتنسيت. بعض الشقوق تخترق صفائح المارتنسيت. تشير الأبحاث إلى أن الشقوق الدقيقة أكثر شيوعًا في المارتنسيت التوأمي الرقائقي. والسبب هو أن المارتنسيت الرقائقي يتصادم مع بعضه البعض أثناء نموه بسرعة عالية، مما يُولّد إجهادًا عاليًا. مع ذلك، فإن المارتنسيت التوأمي نفسه هشّ ولا يستطيع إنتاج تشوه لدن يُخفف الإجهاد، مما يُسهّل تكوّن الشقوق الدقيقة. حبيبات الأوستنيت خشنة، مما يزيد من قابليتها للتشقق الدقيق. وجود الشقوق الدقيقة في الفولاذ يُقلل بشكل كبير من قوة ومتانة الأجزاء المُقسّاة، مما يؤدي إلى تلفها المبكر (كسرها).

لتجنب التشققات الدقيقة في أجزاء الفولاذ عالي الكربون، يمكن اتخاذ تدابير مثل خفض درجة حرارة التسخين للتبريد السريع، والحصول على بنية مارتنسيتية دقيقة، وتقليل محتوى الكربون في المارتنسيت. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ التلدين في الوقت المناسب بعد التبريد السريع طريقة فعّالة لتقليل الإجهاد الداخلي. وقد أثبتت الاختبارات أنه بعد التلدين الكافي عند درجة حرارة أعلى من 200 درجة مئوية، تعمل الكربيدات المترسبة عند الشقوق على "لحام" هذه الشقوق، مما يقلل بشكل كبير من مخاطر التشققات الدقيقة.

يتناول ما سبق أسباب التشققات وطرق الوقاية منها بناءً على نمط توزيعها. في الإنتاج الفعلي، يختلف توزيع التشققات تبعًا لعوامل مثل جودة الفولاذ، وشكل القطعة، وتقنية المعالجة الحرارية (الساخنة والباردة). أحيانًا تكون التشققات موجودة قبل المعالجة الحرارية وتتوسع أثناء عملية التبريد السريع؛ وقد تظهر عدة أشكال من التشققات في القطعة نفسها في الوقت ذاته. في هذه الحالة، وبناءً على الخصائص المورفولوجية للتشقق، ينبغي إجراء تحليل شامل لسطح الكسر، والفحص المجهري، وعند الضرورة، التحليل الكيميائي، وغيرها من الطرق، وذلك لتحديد الأسباب الرئيسية للتشقق، ومن ثم تحديد التدابير الوقائية الفعالة.

يُعد تحليل الشقوق طريقةً مهمةً لتحليل أسبابها. لكل شق نقطة بداية، وعادةً ما تبدأ شقوق التبريد السريع من نقطة التقاء الشقوق الشعاعية.

إذا كان منشأ الشق موجودًا على سطح القطعة، فهذا يعني أن الشق ناتج عن إجهاد شد مفرط على السطح. أما إذا لم تكن هناك عيوب هيكلية مثل الشوائب على السطح، ولكن توجد عوامل تركيز إجهاد مثل علامات القطع الحادة، أو طبقة الأكسيد، أو الزوايا الحادة للأجزاء الفولاذية، أو الأجزاء ذات التغيرات الهيكلية، فقد تحدث الشقوق.

إذا كان منشأ الشق داخل القطعة، فإنه يرتبط بعيوب في المادة أو إجهاد شد داخلي متبقٍ زائد. سطح الكسر الناتج عن التبريد العادي رمادي اللون وناعم الملمس. أما إذا كان سطح الكسر رماديًا داكنًا وخشنًا، فذلك بسبب ارتفاع درجة الحرارة أو سماكة النسيج الأصلي.

بشكل عام، لا ينبغي أن يظهر أي لون أكسدة على الجزء الزجاجي من شق التبريد، ولا ينبغي أن يكون هناك أي إزالة للكربون حول الشق. في حال وجود إزالة للكربون حول الشق أو لون أكسدة على منطقة الشق، فهذا يدل على أن القطعة كانت تحتوي على شقوق قبل التبريد، وأن هذه الشقوق الأصلية ستتوسع تحت تأثير إجهاد المعالجة الحرارية. إذا لوحظ وجود كربيدات منفصلة وشوائب بالقرب من شقوق القطعة، فهذا يعني أن الشقوق مرتبطة بانفصال شديد للكربيدات في المادة الخام أو بوجود شوائب. أما إذا ظهرت الشقوق فقط عند الزوايا الحادة أو أجزاء القطعة ذات الشكل غير المنتظم دون وجود الظواهر المذكورة أعلاه، فهذا يعني أن الشق ناتج عن تصميم هيكلي غير مناسب للقطعة أو عن اتخاذ تدابير غير ملائمة لمنع الشقوق، أو عن إجهاد مفرط للمعالجة الحرارية.

بالإضافة إلى ذلك، تظهر الشقوق في الأجزاء المعالجة حرارياً كيميائياً والمُقسّاة سطحياً في الغالب بالقرب من الطبقة المُصلّبة. ويُعدّ تحسين بنية الطبقة المُصلّبة وتقليل إجهاد المعالجة الحرارية من أهم الطرق لتجنب الشقوق السطحية.