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Definition und Zweck des Abschreckens
Der Stahl wird auf eine Temperatur oberhalb des kritischen Punktes Ac3 (hypoeutektoider Stahl) bzw. Ac1 (hypereutektoider Stahl) erhitzt, für eine bestimmte Zeit gehalten, um ihn vollständig oder teilweise austenitisieren zu lassen, und anschließend mit einer Geschwindigkeit abgekühlt, die über der kritischen Abschreckgeschwindigkeit liegt. Die Wärmebehandlung, bei der unterkühlter Austenit in Martensit oder unteren Bainit umgewandelt wird, nennt man Abschrecken.

Das Abschrecken dient dazu, unterkühlten Austenit in Martensit oder Bainit umzuwandeln, um ein Martensit- oder unteres Bainitgefüge zu erzielen. Dieses wird anschließend mit Anlassen bei verschiedenen Temperaturen kombiniert, um die Festigkeit, Härte und Beständigkeit des Stahls deutlich zu verbessern. Auch Verschleißfestigkeit, Dauerfestigkeit und Zähigkeit werden optimiert, um den unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Maschinenteile und Werkzeuge gerecht zu werden. Durch Abschrecken lassen sich zudem spezielle physikalische und chemische Eigenschaften bestimmter Stähle erzielen, wie beispielsweise Ferromagnetismus und Korrosionsbeständigkeit.

Beim Abkühlen von Stahlteilen in einem Abschreckmedium mit Änderung des physikalischen Zustands wird der Abkühlprozess im Allgemeinen in die folgenden drei Phasen unterteilt: Dampffilmphase, Siedephase und Konvektionsphase.

Härtbarkeit von Stahl
Härtbarkeit und Abschreckbarkeit sind zwei Leistungskennzahlen, die die Fähigkeit von Stahl zur Abschreckung charakterisieren. Sie sind außerdem eine wichtige Grundlage für die Materialauswahl und -anwendung.

1. Die Konzepte der Härtbarkeit und der Härtbarkeit

Die Härtbarkeit ist die Fähigkeit von Stahl, unter idealen Bedingungen durch Abschrecken und Härten die maximal erreichbare Härte zu erzielen. Der Hauptfaktor, der die Härtbarkeit von Stahl bestimmt, ist sein Kohlenstoffgehalt. Genauer gesagt ist es der Kohlenstoffgehalt, der sich beim Abschrecken und Erhitzen im Austenit löst. Je höher der Kohlenstoffgehalt, desto höher die Härtbarkeit des Stahls. Die Legierungselemente im Stahl haben nur einen geringen Einfluss auf die Härtbarkeit, während die Legierungselemente einen signifikanten Einfluss auf die Härte des Stahls haben.

Die Härtbarkeit beschreibt die Eigenschaften, die die Härtetiefe und Härteverteilung von Stahl unter bestimmten Bedingungen bestimmen. Sie bezeichnet die Fähigkeit, beim Abschrecken eine bestimmte Härtetiefe zu erreichen. Es handelt sich um eine inhärente Stahleigenschaft. Die Härtbarkeit spiegelt wider, wie leicht sich Austenit beim Abschrecken in Martensit umwandelt. Sie hängt hauptsächlich von der Stabilität des unterkühlten Austenits bzw. der kritischen Abschreckgeschwindigkeit des Stahls ab.

Es ist wichtig zu betonen, dass die Härtbarkeit von Stahl von der effektiven Härtungstiefe von Stahlteilen unter bestimmten Abschreckbedingungen zu unterscheiden ist. Die Härtbarkeit von Stahl ist eine ihm inhärente Eigenschaft. Sie hängt ausschließlich von seinen inneren Eigenschaften ab und ist unabhängig von äußeren Einflüssen. Die effektive Härtbarkeitstiefe hingegen hängt nicht nur von der Härtbarkeit des Stahls selbst ab, sondern auch vom verwendeten Material. Sie wird von äußeren Faktoren wie dem Kühlmedium und der Werkstückgröße beeinflusst. Beispielsweise ist die Härtbarkeit desselben Stahls unter gleichen Austenitisierungsbedingungen gleich, die effektive Härtungstiefe beim Abschrecken in Wasser jedoch größer als beim Abschrecken in Öl. Kleinere Teile weisen eine größere effektive Härtungstiefe auf als größere Teile. Daraus lässt sich jedoch nicht schließen, dass das Abschrecken in Wasser grundsätzlich besser härtbar ist als das Abschrecken in Öl. Ebenso wenig lässt sich sagen, dass kleinere Teile generell besser härtbar sind als größere. Es zeigt sich, dass zur Beurteilung der Härtbarkeit von Stahl der Einfluss externer Faktoren wie Werkstückform, -größe, Kühlmedium usw. eliminiert werden muss.

Da Härtbarkeit und Härtbarkeit zwei unterschiedliche Konzepte sind, weist Stahl mit hoher Härte nach dem Abschrecken nicht unbedingt eine hohe Härtbarkeit auf; und Stahl mit niedriger Härte kann auch eine hohe Härtbarkeit aufweisen.

2. Faktoren, die die Härtbarkeit beeinflussen

Die Härtbarkeit von Stahl hängt von der Stabilität des Austenits ab. Jeder Faktor, der die Stabilität des unterkühlten Austenits verbessert, die C-Kurve nach rechts verschiebt und dadurch die kritische Abkühlgeschwindigkeit reduziert, kann die Härtbarkeit von hochfestem Stahl erhöhen. Die Stabilität des Austenits hängt hauptsächlich von seiner chemischen Zusammensetzung, Korngröße und Zusammensetzungshomogenität ab, welche wiederum von der chemischen Zusammensetzung des Stahls und den Erwärmungsbedingungen beeinflusst werden.

3. Messverfahren zur Bestimmung der Härtbarkeit

Es gibt viele Methoden zur Messung der Härtbarkeit von Stahl, die gebräuchlichsten sind die Methode der Messung des kritischen Durchmessers und die Methode des Endhärtbarkeitstests.

(1) Methode zur Messung des kritischen Durchmessers

Nach dem Abschrecken des Stahls in einem bestimmten Medium wird der maximale Durchmesser, bei dem der Kern vollständig oder zu 50 % aus Martensit besteht, als kritischer Durchmesser (Dc) bezeichnet. Zur Bestimmung des kritischen Durchmessers werden Rundstäbe mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt. Nach dem Abschrecken wird die Härte-U-Kurve entlang des Durchmessers an jedem Probenabschnitt gemessen. Der Stab mit der halbmartensitischen Struktur im Zentrum wird ermittelt. Der Durchmesser dieses Rundstabs entspricht dem kritischen Durchmesser. Je größer der kritische Durchmesser, desto höher die Härtbarkeit des Stahls.

(2) Endabschreckprüfverfahren

Das Stirnhärteprüfverfahren verwendet eine genormte, stirngehärtete Probe (Ф25 mm × 100 mm). Nach der Austenitisierung wird die Probe in einer speziellen Vorrichtung an einem Ende mit Wasser besprüht, um sie abzukühlen. Anschließend wird die Härte entlang der Achse – ausgehend vom wassergekühlten Ende – gemessen. Das Prüfverfahren dient der Ermittlung der Härte-Härte-Kurve. Das Stirnhärteprüfverfahren ist eine Methode zur Bestimmung der Härtbarkeit von Stahl. Es zeichnet sich durch einfache Durchführung und ein breites Anwendungsgebiet aus.

4. Abschreckspannung, Verformung und Rissbildung

(1) Innere Spannungen des Werkstücks beim Abschrecken

Wird das Werkstück im Abschreckmedium schnell abgekühlt, entsteht aufgrund seiner Abmessungen und Wärmeleitfähigkeit ein Temperaturgradient im Inneren. Die Oberflächentemperatur ist niedrig, die Kerntemperatur hoch, und zwischen Oberfläche und Kern besteht ein Temperaturunterschied. Während der Abkühlung treten zwei physikalische Phänomene auf: Zum einen die Wärmeausdehnung, wodurch sich die Länge des Werkstücks mit sinkender Temperatur verringert; zum anderen die Umwandlung von Austenit in Martensit beim Erreichen des Martensit-Umwandlungspunktes, wodurch sich das spezifische Volumen erhöht. Aufgrund des Temperaturunterschieds ist die Wärmeausdehnung an verschiedenen Stellen des Werkstückquerschnitts unterschiedlich, was zu unterschiedlichen inneren Spannungen führt. Aufgrund dieser Temperaturunterschiede können Bereiche auftreten, in denen die Temperatur schneller sinkt als der Martensit-Umwandlungspunkt. In diesen Bereichen dehnt sich das Volumen aus, und die Temperatur liegt noch über dem Martensit-Umwandlungspunkt, sodass das Material weiterhin austenitisch ist. Diese verschiedenen Teile erzeugen aufgrund unterschiedlicher spezifischer Volumenänderungen auch innere Spannungen. Daher können während des Abschreck- und Kühlprozesses zwei Arten von inneren Spannungen entstehen: thermische Spannungen und Gewebespannungen.

Gemäß ihrem zeitlichen Verlauf lassen sich innere Spannungen in Momentanspannungen und Eigenspannungen unterteilen. Die im Werkstück während des Abkühlprozesses zu einem bestimmten Zeitpunkt entstehenden inneren Spannungen werden als Momentanspannungen bezeichnet; die nach dem Abkühlen im Werkstück verbleibenden Spannungen werden als Eigenspannungen bezeichnet.

Thermische Spannung bezeichnet die Spannung, die durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung (oder Kältekontraktion) aufgrund von Temperaturunterschieden in verschiedenen Teilen des Werkstücks beim Erhitzen (oder Abkühlen) entsteht.

Nehmen wir einen massiven Zylinder als Beispiel, um die Entstehung und Veränderung von inneren Spannungen während des Abkühlprozesses zu veranschaulichen. Hier wird nur die axiale Spannung betrachtet. Zu Beginn der Abkühlung kühlt die Oberfläche schnell ab, die Temperatur ist niedrig und die Schrumpfung stark, während der Kern schneller abkühlt, die Temperatur hoch ist und die Schrumpfung gering. Dadurch wirken Oberfläche und Kern einander entgegen, was zu Zugspannungen an der Oberfläche und Druckspannungen im Kern führt. Mit fortschreitender Abkühlung vergrößert sich die Temperaturdifferenz zwischen Innen und Außen, und die inneren Spannungen steigen entsprechend an. Sobald die Spannung die Streckgrenze bei dieser Temperatur überschreitet, tritt plastische Verformung auf. Da der Kern dicker ist als die Oberfläche, zieht er sich stets zuerst axial zusammen. Infolge der plastischen Verformung steigt die innere Spannung nicht weiter an. Nach einer gewissen Abkühlzeit verlangsamt sich der Abfall der Oberflächentemperatur allmählich, und auch die Schrumpfung nimmt ab. Der Kern schrumpft weiterhin, sodass die Zugspannungen an der Oberfläche und die Druckspannungen im Kern allmählich abnehmen, bis sie verschwinden. Mit fortschreitender Abkühlung sinkt die Oberflächenfeuchtigkeit immer weiter, und die Schrumpfung nimmt ab oder kommt sogar ganz zum Erliegen. Da die Temperatur im Kern weiterhin hoch ist, schrumpft das Werkstück weiter, wodurch sich schließlich Druckspannungen an der Oberfläche und Zugspannungen im Kern bilden. Aufgrund der niedrigen Temperatur ist plastische Verformung jedoch erschwert, sodass diese Spannungen mit fortschreitender Abkühlung zunehmen. Sie steigen kontinuierlich an und bleiben schließlich als Eigenspannungen im Werkstück erhalten.

Es ist ersichtlich, dass die thermische Spannung während des Abkühlprozesses zunächst dazu führt, dass die Oberflächenschicht gedehnt und der Kern gestaucht wird, und dass die verbleibende Restspannung dazu führt, dass die Oberflächenschicht gestaucht und der Kern gedehnt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die beim Abschrecken entstehende thermische Spannung durch die Querschnittstemperaturdifferenz während des Abkühlprozesses verursacht wird. Je höher die Abkühlgeschwindigkeit und je größer die Querschnittstemperaturdifferenz, desto größer die entstehende thermische Spannung. Bei gleichen Kühlbedingungen gilt: Je höher die Erwärmungstemperatur des Werkstücks, je größer dessen Abmessungen und je geringer die Wärmeleitfähigkeit des Stahls, desto größer die Temperaturdifferenz im Werkstück und desto höher die thermische Spannung. Wird das Werkstück bei hoher Temperatur ungleichmäßig abgekühlt, verzieht es sich. Übersteigt die während des Abkühlprozesses entstehende Zugspannung die Zugfestigkeit des Materials, entstehen Abschreckrisse.

Phasenumwandlungsspannung bezeichnet die Spannung, die durch den unterschiedlichen Zeitpunkt der Phasenumwandlung in verschiedenen Teilen des Werkstücks während des Wärmebehandlungsprozesses entsteht; sie wird auch als Gewebespannung bezeichnet.

Beim Abschrecken und schnellen Abkühlen der Oberflächenschicht bis zum Ms-Punkt findet eine martensitische Umwandlung statt, die zu einer Volumenausdehnung führt. Da der Kern jedoch noch nicht umgewandelt ist, erzeugt die Oberflächenschicht Druckspannungen, während im Kern Zugspannungen auftreten. Bei ausreichend hoher Spannung kommt es zu Verformungen. Kühlt der Kern bis zum Ms-Punkt ab, durchläuft auch er eine martensitische Umwandlung und dehnt sich aus. Aufgrund der geringen Plastizität und hohen Festigkeit der umgewandelten Oberflächenschicht treten jedoch Restspannungen in Form von Oberflächenspannungen auf, wodurch der Kern unter Druck gerät. Die Veränderung und der Endzustand der Phasenumwandlungsspannung verhalten sich somit genau entgegengesetzt zu thermischen Spannungen. Da Phasenumwandlungsspannungen bei niedrigen Temperaturen und geringer Plastizität auftreten, ist eine Verformung in diesem Fall erschwert, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Rissen im Werkstück erhöht ist.

Es gibt viele Faktoren, die die Höhe der Phasenumwandlungsspannung beeinflussen. Je schneller die Abkühlgeschwindigkeit des Stahls im Martensit-Umwandlungstemperaturbereich ist, je größer das Stahlstück ist, je schlechter die Wärmeleitfähigkeit des Stahls ist, je größer das spezifische Martensitvolumen ist und je höher die Phasenumwandlungsspannung ist. Darüber hinaus hängt die Phasenumwandlungsspannung auch von der Zusammensetzung und der Härtbarkeit des Stahls ab. Beispielsweise erhöht hochkohlenstoffhaltiger, hochlegierter Stahl aufgrund seines hohen Kohlenstoffgehalts das spezifische Martensitvolumen, was die Phasenumwandlungsspannung des Stahls erhöhen sollte. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt sinkt jedoch die Ms-Temperatur, und nach dem Abschrecken verbleibt eine große Menge Restaustenit. Dessen Volumenausdehnung verringert sich, und die Eigenspannung ist gering.

(2) Verformung des Werkstücks beim Abschrecken

Beim Abschrecken treten im Werkstück zwei Hauptarten von Verformung auf: Zum einen die Veränderung der geometrischen Form, die sich in Größen- und Formänderungen äußert (Verzug), verursacht durch die Abschreckspannung; zum anderen die Volumenverformung, die sich als proportionale Ausdehnung oder Kontraktion des Werkstückvolumens zeigt und durch die Änderung des spezifischen Volumens während des Phasenübergangs bedingt ist.

Verformungen umfassen sowohl Form- als auch Torsionsverformungen. Torsionsverformungen entstehen hauptsächlich durch unsachgemäße Positionierung des Werkstücks im Ofen während des Erhitzens, fehlende Nachbearbeitung nach der Verformungskorrektur vor dem Abschrecken oder ungleichmäßige Abkühlung verschiedener Werkstückbereiche. Diese Verformungen lassen sich für spezifische Situationen analysieren und beheben. Im Folgenden werden vor allem Volumen- und Formverformungen behandelt.

1) Ursachen der Abschreckverformung und deren Änderungsregeln

Volumenverformung durch Gefügeumwandlung: Der Gefügezustand des Werkstücks vor dem Abschrecken ist im Allgemeinen Perlit, d. h. eine Mischstruktur aus Ferrit und Zementit, und nach dem Abschrecken Martensit. Die unterschiedlichen spezifischen Volumina dieser Gefüge führen zu Volumenänderungen vor und nach dem Abschrecken und somit zu einer Verformung. Diese Verformung bewirkt jedoch lediglich eine proportionale Ausdehnung und Kontraktion des Werkstücks, sodass sich dessen Form nicht ändert.

Darüber hinaus gilt: Je mehr Martensit nach der Wärmebehandlung im Gefüge vorhanden ist bzw. je höher der Kohlenstoffgehalt im Martensit ist, desto größer ist die Volumenausdehnung; je größer hingegen der Anteil an Restaustenit ist, desto geringer ist die Volumenausdehnung. Daher lässt sich die Volumenänderung durch die Steuerung des relativen Anteils von Martensit und Restmartensit während der Wärmebehandlung beeinflussen. Bei optimaler Steuerung kommt es weder zu einer Volumenausdehnung noch zu einer Volumenverringerung.

Formveränderungen durch thermische Spannungen treten in Hochtemperaturbereichen auf, in denen die Streckgrenze von Stahlteilen niedrig, die Plastizität hoch und die Oberfläche schnell abkühlt. Zudem ist der Temperaturunterschied zwischen dem Inneren und Äußeren des Werkstücks am größten. Die momentanen thermischen Spannungen setzen sich aus Zugspannungen an der Oberfläche und Druckspannungen im Kern zusammen. Da die Kerntemperatur hoch ist und die Streckgrenze deutlich niedriger als an der Oberfläche liegt, äußert sich dies in einer Verformung unter der Einwirkung von Druckspannungen in mehreren Richtungen. Beispielsweise verformt sich ein Würfel in Richtung seiner Kugelform. Größere Teile schrumpfen, kleinere dehnen sich aus. Ein langer Zylinder beispielsweise verkürzt sich in Längsrichtung und dehnt sich im Durchmesser aus.

Formveränderung durch Gewebespannungen: Eine durch Gewebespannung verursachte Verformung tritt bereits zu Beginn auf, wenn die Gewebespannung maximal ist. Zu diesem Zeitpunkt ist der Temperaturunterschied im Querschnitt groß, die Kerntemperatur höher, das Material befindet sich noch im Austenitzustand, weist eine gute Plastizität und eine geringe Streckgrenze auf. Die momentane Gewebespannung setzt sich aus Oberflächendruckspannung und Kernzugspannung zusammen. Die Verformung äußert sich daher in einer Dehnung des Kerns unter der Einwirkung von Zugspannungen in mehreren Richtungen. Dies führt dazu, dass sich die größere Seite des Werkstücks unter dem Einfluss der Gewebespannungen verlängert, während sich die kleinere Seite verkürzt. Beispielsweise führt die durch Gewebespannung verursachte Verformung bei einem langen Zylinder zu einer Längenverlängerung und einer Durchmesserverringerung.

Tabelle 5.3 zeigt die Abschreckverformungsregeln für verschiedene typische Stahlbauteile.

2) Faktoren, die die Abschreckverformung beeinflussen

Die Faktoren, die die Abschreckverformung beeinflussen, sind hauptsächlich die chemische Zusammensetzung des Stahls, die ursprüngliche Struktur, die Geometrie der Teile und der Wärmebehandlungsprozess.

3) Abschreckrisse

Risse in Bauteilen treten hauptsächlich im späten Stadium des Abschreckens und Abkühlens auf, d. h. nachdem die martensitische Umwandlung im Wesentlichen abgeschlossen ist oder die Abkühlung vollständig erfolgt ist. Dann kommt es zum Sprödbruch, weil die Zugspannung im Bauteil die Bruchfestigkeit des Stahls übersteigt. Die Risse verlaufen üblicherweise senkrecht zur Richtung der maximalen Zugverformung, daher hängen die verschiedenen Rissformen in Bauteilen hauptsächlich vom Spannungsverteilungszustand ab.

Häufige Arten von Härterissen: Längsrisse (axiale Risse) entstehen hauptsächlich, wenn die tangentiale Zugspannung die Bruchfestigkeit des Materials überschreitet; Querrisse bilden sich, wenn die hohe axiale Zugspannung an der Innenfläche des Bauteils die Bruchfestigkeit des Materials übersteigt. Netzrisse entstehen unter der Einwirkung zweidimensionaler Zugspannung an der Oberfläche; Abplatzrisse treten in einer sehr dünnen gehärteten Schicht auf, insbesondere bei abrupten Spannungsänderungen und übermäßiger Zugspannung in radialer Richtung.

Längsrisse werden auch als axiale Risse bezeichnet. Sie entstehen an Stellen maximaler Zugspannung nahe der Bauteiloberfläche und weisen eine bestimmte Tiefe zum Bauteilkern hin auf. Die Rissrichtung verläuft im Allgemeinen parallel zur Achse, kann sich jedoch bei Spannungskonzentrationen im Bauteil oder bei inneren Strukturfehlern ändern.

Nach dem vollständigen Abschrecken des Werkstücks treten häufig Längsrisse auf. Dies hängt mit der hohen tangentialen Zugspannung an der Oberfläche des abgeschreckten Werkstücks zusammen. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt des Stahls nimmt die Neigung zur Bildung von Längsrissen zu. Kohlenstoffarmer Stahl weist ein geringes spezifisches Martensitvolumen und hohe thermische Spannungen auf. An der Oberfläche herrscht eine hohe Druckeigenspannung, wodurch das Abschrecken erschwert wird. Mit steigendem Kohlenstoffgehalt nimmt die Druckeigenspannung an der Oberfläche ab, während die Gefügespannung zunimmt. Gleichzeitig verlagert sich die maximale Zugspannung zur Oberflächenschicht hin. Daher neigt hochkohlenstoffhaltiger Stahl bei Überhitzung zu Längsrissen beim Abschrecken.

Die Bauteilgröße beeinflusst direkt die Größe und Verteilung der Eigenspannungen und somit auch die Neigung zur Abschreckrissbildung. Längsrisse entstehen beim Abschrecken in kritischen Querschnittsbereichen leicht. Zudem führt die Verstopfung von Stahlrohstoffen häufig zu Längsrissen. Da die meisten Stahlbauteile gewalzt werden, verteilen sich nichtmetallische Einschlüsse, Karbide usw. im Stahl entlang der Verformungsrichtung und verursachen so eine Anisotropie. Besitzt beispielsweise Werkzeugstahl eine bandartige Struktur, ist seine Querbruchfestigkeit nach dem Abschrecken 30 bis 50 % geringer als seine Längsbruchfestigkeit. Sind im Stahl Faktoren wie nichtmetallische Einschlüsse vorhanden, die zu Spannungskonzentrationen führen, können sich selbst bei höherer Tangentialspannung als Axialspannung unter niedrigen Spannungsbedingungen leicht Längsrisse bilden. Daher ist die strenge Kontrolle des Gehalts an nichtmetallischen Einschlüssen und Zucker im Stahl ein wichtiger Faktor zur Vermeidung von Abschreckrissen.

Die Charakteristika der inneren Spannungsverteilung bei Quer- und Bogenrissen sind wie folgt: An der Oberfläche herrscht Druckspannung. Nach einer gewissen Tiefe wandelt sich die Druckspannung in eine hohe Zugspannung um. Der Riss entsteht im Bereich der Zugspannung und breitet sich erst dann bis zur Oberfläche des Bauteils aus, wenn es zu einer Umverteilung der inneren Spannung kommt oder die Sprödigkeit des Stahls weiter zunimmt.

Querrisse treten häufig in großen Wellenteilen wie Wälzkörpern, Turbinenrotoren oder anderen Wellenkomponenten auf. Charakteristisch für diese Risse ist, dass sie senkrecht zur Achsenrichtung verlaufen und von innen nach außen brechen. Sie entstehen oft vor der Härtung und werden durch thermische Spannungen verursacht. Große Schmiedeteile weisen häufig metallurgische Defekte wie Poren, Einschlüsse, Schmiederisse und weiße Flecken auf. Diese Defekte dienen als Ausgangspunkt für Brüche und führen unter axialer Zugspannung zum Bruch. Bogenrisse entstehen ebenfalls durch thermische Spannungen und treten typischerweise bogenförmig an Stellen auf, an denen sich die Form des Bauteils ändert. Sie entstehen hauptsächlich im Inneren des Werkstücks oder in der Nähe von scharfen Kanten, Nuten und Bohrungen und sind ebenfalls bogenförmig verteilt. Werden hochkohlenstoffhaltige Stahlteile mit einem Durchmesser oder einer Dicke von 80 bis 100 mm oder mehr nicht abgeschreckt, weist die Oberfläche Druckspannungen und der Kern Zugspannungen auf. Die maximale Zugspannung tritt in der Übergangszone zwischen der gehärteten und der nicht gehärteten Schicht auf, und in diesen Bereichen bilden sich Bogenrisse. Zudem ist die Abkühlung an scharfen Kanten und Ecken schnell, sodass diese Bereiche vollständig abgeschreckt werden. Beim Übergang zu weicheren Bereichen, also zum ungehärteten Bereich, entsteht hier die Zone maximaler Zugspannung, wodurch Lichtbogenrisse begünstigt werden. In der Nähe von Stiftlöchern, Nuten oder Zentrierbohrungen des Werkstücks ist die Abkühlung langsam, die entsprechende gehärtete Schicht dünn, und die Zugspannung in der Übergangszone zwischen gehärtetem und ungehärtetem Material kann leicht Lichtbogenrisse verursachen.

Netzartige Risse, auch Oberflächenrisse genannt, sind oberflächliche Risse. Ihre Tiefe ist gering, typischerweise zwischen 0,01 und 1,5 mm. Charakteristisch für diese Rissart ist ihre willkürliche Verlaufsrichtung, die unabhängig von der Form des Bauteils ist. Viele Risse sind miteinander verbunden und bilden ein weitverbreitetes Netzwerk. Bei größeren Risstiefen, beispielsweise über 1 mm, verschwindet die Netzwerkstruktur, und die Risse verlaufen entweder zufällig orientiert oder längs. Netzartige Risse stehen im Zusammenhang mit zweidimensionalen Zugspannungen an der Oberfläche.

Teile aus hochkohlenstoffhaltigem oder aufgekohltem Stahl mit einer entkohlten Oberflächenschicht neigen beim Abschrecken zur Bildung von Netzrissen. Dies liegt daran, dass die Oberflächenschicht einen geringeren Kohlenstoffgehalt und ein kleineres spezifisches Volumen als die innere Martensitschicht aufweist. Beim Abschrecken wird die Karbid-Oberflächenschicht Zugspannungen ausgesetzt. Teile, deren Entphosphorierungsschicht bei der mechanischen Bearbeitung nicht vollständig entfernt wurde, bilden beim Hochfrequenz- oder Flammhärten ebenfalls Netzrisse. Um solche Risse zu vermeiden, muss die Oberflächenqualität der Teile streng kontrolliert und Oxidationsschweißen während der Wärmebehandlung verhindert werden. Darüber hinaus zählen nach einer gewissen Nutzungsdauer des Schmiedewerkzeugs auftretende thermische Ermüdungsrisse, die streifen- oder netzartig im Formhohlraum entstehen, sowie Risse, die beim Schleifen abgeschreckter Teile auftreten, zu dieser Rissart.

Abplatzrisse treten in einem sehr schmalen Bereich der Oberflächenschicht auf. Druckspannungen wirken axial und tangential, Zugspannungen radial. Die Risse verlaufen parallel zur Werkstückoberfläche. Das Abplatzen der gehärteten Schicht nach dem Abschrecken und Aufkohlen von Werkstücken zählt zu dieser Rissart. Ihr Auftreten hängt mit der ungleichmäßigen Struktur der gehärteten Schicht zusammen. Beispielsweise weist die aufgekohlte Schicht nach dem Abkühlen von legiertem, aufgekohltem Stahl mit einer bestimmten Geschwindigkeit folgende Struktur auf: eine äußere Schicht aus extrem feinem Perlit und Karbiden, eine Unterschicht aus Martensit und Restaustenit und eine innere Schicht aus feinem oder extrem feinem Perlit. Da das spezifische Bildungsvolumen von Martensit in der Unterschicht am größten ist, führt die Volumenausdehnung zu Druckspannungen in axialer und tangentialer Richtung in der Oberflächenschicht sowie zu Zugspannungen in radialer Richtung. Im Inneren kommt es zu einem Spannungswechsel hin zu einem Druckspannungszustand, wodurch in extrem dünnen Bereichen mit abruptem Spannungswechsel Abplatzrisse entstehen. Diese Risse verlaufen in der Regel parallel zur Oberfläche und können in schweren Fällen zum Abplatzen der Oberfläche führen. Durch Beschleunigung oder Verlangsamung der Abkühlgeschwindigkeit aufgekohlter Teile lässt sich in der aufgekohlten Schicht eine gleichmäßige Martensitstruktur oder eine ultrafeine Perlitstruktur erzielen, wodurch das Auftreten solcher Risse verhindert wird. Darüber hinaus kann es bei Hochfrequenz- oder Flammenabschreckung zu einer Überhitzung der Oberfläche kommen, wodurch die strukturelle Inhomogenität entlang der gehärteten Schicht leicht zur Bildung solcher Oberflächenrisse führen kann.

Mikrorisse unterscheiden sich von den vier zuvor genannten Rissarten dadurch, dass sie durch Mikrospannungen verursacht werden. Interkristalline Risse, die nach dem Abschrecken, Überhitzen und Schleifen von hochkohlenstoffhaltigem Werkzeugstahl oder aufgekohlten Werkstücken auftreten, sowie Risse, die durch nicht rechtzeitiges Anlassen abgeschreckter Teile entstehen, hängen alle mit dem Vorhandensein und der anschließenden Ausbreitung von Mikrorissen im Stahl zusammen.

Mikrorisse müssen mikroskopisch untersucht werden. Sie treten üblicherweise an den ursprünglichen Austenitkorngrenzen oder an den Verbindungsstellen von Martensitlamellen auf. Einige Risse durchdringen die Martensitlamellen. Untersuchungen zeigen, dass Mikrorisse in schuppigem Zwillingsmartensit häufiger vorkommen. Der Grund dafür ist, dass die schuppigen Martensitlamellen beim schnellen Wachstum miteinander kollidieren und dabei hohe Spannungen erzeugen. Der Zwillingsmartensit selbst ist jedoch spröde und kann keine plastische Verformung zur Spannungsentlastung aufweisen, wodurch Mikrorisse leichter entstehen. Die Austenitkörner sind grobkörnig, was die Anfälligkeit für Mikrorisse erhöht. Das Vorhandensein von Mikrorissen im Stahl reduziert die Festigkeit und Plastizität der abgeschreckten Bauteile erheblich und führt zu vorzeitigem Verschleiß (Bruch).

Um Mikrorisse in Bauteilen aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl zu vermeiden, können Maßnahmen wie eine niedrigere Abschrecktemperatur, die Erzielung eines feinen Martensitgefüges und die Reduzierung des Kohlenstoffgehalts im Martensit angewendet werden. Darüber hinaus ist ein rechtzeitiges Anlassen nach dem Abschrecken eine wirksame Methode zur Reduzierung von Eigenspannungen. Versuche haben gezeigt, dass nach ausreichendem Anlassen über 200 °C die an den Rissen ausgeschiedenen Carbide eine Art „Verschweißen“ der Risse bewirken, wodurch die Gefahr von Mikrorissen deutlich verringert wird.

Die obige Erörterung behandelt die Ursachen und Präventionsmethoden von Rissen anhand ihres Verteilungsmusters. In der Praxis variiert die Rissverteilung aufgrund von Faktoren wie Stahlqualität, Bauteilform und Warm- bzw. Kaltumformung. Manchmal sind Risse bereits vor der Wärmebehandlung vorhanden und breiten sich beim Abschrecken weiter aus; manchmal treten mehrere Rissarten gleichzeitig im selben Bauteil auf. In diesem Fall sollten anhand der morphologischen Merkmale des Risses, makroskopischer Bruchflächenanalyse, metallografischer Untersuchung und gegebenenfalls chemischer Analyse sowie weiterer Methoden umfassende Untersuchungen durchgeführt werden. Dabei werden die Materialqualität, die Gefügestruktur und die Ursachen der Wärmebehandlungsspannungen berücksichtigt, um die Hauptursachen des Risses zu ermitteln und anschließend wirksame Präventionsmaßnahmen festzulegen.

Die Bruchanalyse ist eine wichtige Methode zur Untersuchung der Rissursachen. Jeder Bruch hat einen Ausgangspunkt für die Rissbildung. Abschreckrisse entstehen üblicherweise am Konvergenzpunkt radialer Risse.

Liegt der Ursprung des Risses an der Oberfläche des Bauteils, bedeutet dies, dass er durch übermäßige Zugspannungen an der Oberfläche verursacht wurde. Auch wenn keine strukturellen Defekte wie Einschlüsse an der Oberfläche vorhanden sind, aber Spannungskonzentrationen wie starke Schnittspuren, Oxidschichten, scharfe Kanten an Stahlteilen oder Bauteile mit Strukturveränderungen vorliegen, können Risse entstehen.

Liegt der Ursprung des Risses im Inneren des Bauteils, deutet dies auf Materialfehler oder übermäßige innere Zugspannungen hin. Die Bruchfläche bei normaler Abschreckung ist grau und feinporig. Ist die Bruchfläche dunkelgrau und rau, liegt dies an Überhitzung oder einem zu dicken Ausgangsgewebe.

Generell sollte die Glasfläche des Abschreckrisses keine Oxidationsfärbung aufweisen und es sollte keine Entkohlung um den Riss herum auftreten. Findet man Entkohlung um den Riss herum oder eine Oxidationsfärbung an der Rissfläche, deutet dies darauf hin, dass das Bauteil bereits vor dem Abschrecken Risse aufwies, die sich unter dem Einfluss der Wärmebehandlungsspannung ausdehnen. Sind in der Nähe der Risse segregierte Carbide und Einschlüsse zu sehen, bedeutet dies, dass die Risse mit einer starken Carbidesegregation im Rohmaterial oder dem Vorhandensein von Einschlüssen zusammenhängen. Treten Risse ausschließlich an scharfen Kanten oder an Stellen mit Formänderungen ohne die oben genannten Phänomene auf, so ist die Rissbildung auf eine ungeeignete Konstruktion des Bauteils, unzureichende Maßnahmen zur Rissvermeidung oder übermäßige Wärmebehandlungsspannung zurückzuführen.

Darüber hinaus treten Risse in chemisch wärmebehandelten und oberflächengehärteten Teilen meist in der Nähe der gehärteten Schicht auf. Die Verbesserung der Struktur der gehärteten Schicht und die Reduzierung der Wärmebehandlungsspannungen sind wichtige Maßnahmen zur Vermeidung von Oberflächenrissen.