Completo e dettagliato! Conoscenza approfondita della tempra dell'acciaio!

Definizione e scopo dello spegnimento
L'acciaio viene riscaldato a una temperatura superiore al punto critico Ac3 (acciaio ipoeutettoidico) o Ac1 (acciaio ipereutettoidico), mantenuto a tale temperatura per un certo periodo di tempo per renderlo completamente o parzialmente austenitizzato, e quindi raffreddato a una velocità superiore alla velocità critica di tempra. Il processo di trattamento termico che trasforma l'austenite sottoraffreddata in martensite o bainite inferiore è chiamato tempra.

Lo scopo della tempra è trasformare l'austenite sottoraffreddata in martensite o bainite per ottenere una struttura martensitica o bainitica inferiore, che viene poi combinata con il rinvenimento a diverse temperature per migliorare notevolmente la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura, la resistenza alla fatica e la tenacità dell'acciaio, ecc., per soddisfare i diversi requisiti di utilizzo di vari componenti meccanici e utensili. La tempra può essere utilizzata anche per ottenere particolari proprietà fisico-chimiche di alcuni acciai speciali, come il ferromagnetismo e la resistenza alla corrosione.

Quando i componenti in acciaio vengono raffreddati in un mezzo di tempra con conseguente cambiamento di stato fisico, il processo di raffreddamento si suddivide generalmente nelle seguenti tre fasi: fase di film di vapore, fase di ebollizione e fase di convezione.

Temprabilità dell'acciaio
La temprabilità e la resistenza alla tempra sono due indicatori di prestazione che caratterizzano la capacità dell'acciaio di subire un trattamento di tempra. Sono inoltre un elemento fondamentale per la selezione e l'utilizzo dei materiali.

1. I concetti di indurimento e indurimento

La temprabilità è la capacità dell'acciaio di raggiungere la massima durezza possibile dopo tempra e indurimento in condizioni ideali. Il fattore principale che determina la temprabilità dell'acciaio è il suo contenuto di carbonio. Più precisamente, si tratta del carbonio disciolto nell'austenite durante la tempra e il riscaldamento. Maggiore è il contenuto di carbonio, maggiore è la temprabilità dell'acciaio. Gli elementi di lega presenti nell'acciaio hanno un impatto limitato sulla temprabilità, ma influenzano significativamente la temprabilità dell'acciaio.

La temprabilità si riferisce alle caratteristiche che determinano la profondità di indurimento e la distribuzione della durezza dell'acciaio in determinate condizioni. Ovvero, la capacità di ottenere la profondità dello strato indurito quando l'acciaio viene temprato. È una proprietà intrinseca dell'acciaio. La temprabilità riflette in realtà la facilità con cui l'austenite si trasforma in martensite quando l'acciaio viene temprato. È principalmente correlata alla stabilità dell'austenite sottoraffreddata dell'acciaio, o alla velocità di raffreddamento critica di tempra dell'acciaio.

È opportuno precisare che la temprabilità dell'acciaio va distinta dalla profondità di tempra effettiva dei pezzi in acciaio in specifiche condizioni di tempra. La temprabilità dell'acciaio è una proprietà intrinseca dell'acciaio stesso. Dipende esclusivamente da fattori interni e non da fattori esterni. La profondità di tempra effettiva dell'acciaio, invece, non dipende solo dalla temprabilità dell'acciaio, ma anche dal materiale utilizzato. È correlata a fattori esterni come il mezzo di raffreddamento e le dimensioni del pezzo. Ad esempio, a parità di condizioni di austenitizzazione, la temprabilità dello stesso acciaio è la stessa, ma la profondità di tempra effettiva della tempra in acqua è maggiore di quella della tempra in olio, e per i pezzi di piccole dimensioni la profondità di tempra effettiva è maggiore. Questo non significa che la tempra in acqua abbia una temprabilità superiore a quella in olio, né che i pezzi di piccole dimensioni abbiano una temprabilità superiore a quella dei pezzi di grandi dimensioni. Si può constatare che, per valutare la temprabilità dell'acciaio, è necessario eliminare l'influenza di fattori esterni quali la forma e le dimensioni del pezzo, il mezzo di raffreddamento, ecc.

Inoltre, poiché temprabilità e indurimento sono due concetti diversi, un acciaio con elevata durezza dopo tempra non ha necessariamente un elevato indurimento; e un acciaio con bassa durezza può comunque avere un elevato indurimento.

2. Fattori che influenzano l'indurimento

La temprabilità dell'acciaio dipende dalla stabilità dell'austenite. Qualsiasi fattore in grado di migliorare la stabilità dell'austenite sottoraffreddata, spostare la curva C verso destra e quindi ridurre la velocità di raffreddamento critica, può migliorare la temprabilità dell'acciaio ad alta resistenza. La stabilità dell'austenite dipende principalmente dalla sua composizione chimica, dalla dimensione dei grani e dall'uniformità della composizione, che a loro volta sono correlate alla composizione chimica dell'acciaio e alle condizioni di riscaldamento.

3. Metodo di misurazione dell'indurimento

Esistono molti metodi per misurare la temprabilità dell'acciaio; i più comunemente utilizzati sono il metodo della misurazione del diametro critico e il metodo della prova di temprabilità terminale.

(1) Metodo di misurazione del diametro critico

Dopo la tempra dell'acciaio in un determinato mezzo, il diametro massimo al quale il nucleo presenta una struttura interamente martensitica o con il 50% di martensite è chiamato diametro critico, indicato con Dc. Il metodo di misurazione del diametro critico consiste nel realizzare una serie di barre tonde di diverso diametro e, dopo la tempra, misurare la curva di durezza U distribuita lungo il diametro su ciascuna sezione del campione, individuando la barra con la struttura semimartensitica al centro. Il diametro di questa barra tonda rappresenta il diametro critico. Maggiore è il diametro critico, maggiore è la temprabilità dell'acciaio.

(2) Metodo di prova di spegnimento finale

Il metodo di prova di tempra terminale utilizza un provino temprato terminale di dimensioni standard (Ф25mm×100mm). Dopo l'austenitizzazione, l'acqua viene spruzzata su un'estremità del provino su un'apposita apparecchiatura per raffreddarlo. Dopo il raffreddamento, la durezza viene misurata lungo la direzione dell'asse, a partire dall'estremità raffreddata ad acqua. Metodo di prova per la curva di relazione distanza. Il metodo di prova di indurimento terminale è uno dei metodi per determinare la temprabilità dell'acciaio. I suoi vantaggi sono la semplicità di esecuzione e l'ampio campo di applicazione.

4. Tensione di tempra, deformazione e fessurazione

(1) Tensione interna del pezzo durante la tempra

Quando il pezzo viene raffreddato rapidamente nel mezzo di tempra, poiché il pezzo ha una certa dimensione e un certo coefficiente di conducibilità termica, si verifica un gradiente di temperatura lungo la sezione interna del pezzo durante il processo di raffreddamento. La temperatura superficiale è bassa, la temperatura del nucleo è alta e, di conseguenza, si crea una differenza di temperatura tra superficie e nucleo. Durante il processo di raffreddamento del pezzo, si verificano anche due fenomeni fisici: uno è l'espansione termica, per cui al diminuire della temperatura, la lunghezza del pezzo si riduce; l'altro è la trasformazione dell'austenite in martensite quando la temperatura scende al di sotto del punto di trasformazione martensitica, il che aumenta il volume specifico. A causa della differenza di temperatura durante il processo di raffreddamento, l'entità dell'espansione termica sarà diversa in diverse parti lungo la sezione trasversale del pezzo e si genereranno tensioni interne in diverse parti del pezzo. A causa della presenza di differenze di temperatura all'interno del pezzo, potrebbero esserci anche parti in cui la temperatura diminuisce più rapidamente del punto in cui si verifica la trasformazione martensitica. Trasformazione, il volume si espande e le parti ad alta temperatura sono ancora più alte del punto e rimangono allo stato austenitico. Queste diverse parti genereranno anche tensioni interne a causa delle differenze nelle variazioni di volume specifico. Pertanto, durante il processo di tempra e raffreddamento possono generarsi due tipi di tensioni interne: una è la tensione termica; l'altra è la tensione tissutale.

In base alle caratteristiche temporali della loro esistenza, le tensioni interne possono essere suddivise in tensioni istantanee e tensioni residue. Le tensioni interne generate dal pezzo in un determinato momento durante il processo di raffreddamento sono chiamate tensioni istantanee; dopo il raffreddamento del pezzo, le tensioni che permangono al suo interno sono chiamate tensioni residue.

Lo stress termico si riferisce alla sollecitazione causata da un'espansione termica (o contrazione a freddo) non uniforme dovuta alle differenze di temperatura nelle diverse parti del pezzo durante il riscaldamento (o il raffreddamento).

Prendiamo ora come esempio un cilindro pieno per illustrare la formazione e le variazioni delle tensioni interne durante il suo processo di raffreddamento. Qui si considera solo la tensione assiale. All'inizio del raffreddamento, poiché la superficie si raffredda rapidamente, la temperatura è bassa e si verifica una forte contrazione, mentre il nucleo si raffredda, la temperatura è alta e la contrazione è minore. Di conseguenza, la superficie e l'interno sono reciprocamente vincolati, generando una tensione di trazione sulla superficie, mentre il nucleo è sottoposto a una tensione di compressione. Man mano che il raffreddamento procede, la differenza di temperatura tra interno ed esterno aumenta e, di conseguenza, anche la tensione interna aumenta. Quando la tensione supera il limite di snervamento a quella temperatura, si verifica una deformazione plastica. Poiché lo spessore del nucleo è maggiore di quello della superficie, il nucleo si contrae sempre prima assialmente. A seguito della deformazione plastica, la tensione interna non aumenta ulteriormente. Dopo un certo periodo di tempo di raffreddamento, la diminuzione della temperatura superficiale rallenta gradualmente e anche la contrazione diminuisce progressivamente. In questa fase, il nucleo è ancora in fase di contrazione, quindi la tensione di trazione sulla superficie e la tensione di compressione all'interno del nucleo diminuiranno gradualmente fino a scomparire. Tuttavia, con il proseguire del raffreddamento, l'umidità superficiale diminuisce sempre di più e la contrazione si riduce progressivamente, fino ad arrestarsi completamente. Poiché la temperatura all'interno del nucleo è ancora elevata, la contrazione continuerà, generando infine una tensione di compressione sulla superficie del pezzo, mentre all'interno del nucleo si formerà una tensione di trazione. Tuttavia, data la bassa temperatura, la deformazione plastica non si verifica facilmente, pertanto questa tensione aumenterà con il procedere del raffreddamento. Continuerà ad aumentare fino a rimanere all'interno del pezzo come tensione residua.

Si può osservare che lo stress termico durante il processo di raffreddamento inizialmente provoca l'allungamento dello strato superficiale e la compressione del nucleo, mentre lo stress residuo rimanente consiste nella compressione dello strato superficiale e nell'allungamento del nucleo.

In sintesi, lo stress termico generato durante il raffreddamento per tempra è causato dalla differenza di temperatura nella sezione trasversale durante il processo di raffreddamento. Maggiore è la velocità di raffreddamento e maggiore è la differenza di temperatura nella sezione trasversale, maggiore sarà lo stress termico generato. A parità di condizioni del mezzo di raffreddamento, maggiore è la temperatura di riscaldamento del pezzo, maggiori sono le sue dimensioni, minore è la conducibilità termica dell'acciaio, maggiore sarà la differenza di temperatura all'interno del pezzo e maggiore sarà lo stress termico. Se il pezzo viene raffreddato in modo non uniforme ad alta temperatura, si deformerà. Se la sollecitazione di trazione istantanea generata durante il processo di raffreddamento del pezzo è maggiore della resistenza a trazione del materiale, si verificheranno cricche di tempra.

Lo stress da trasformazione di fase si riferisce allo stress causato dalla diversa tempistica della trasformazione di fase nelle varie parti del pezzo durante il processo di trattamento termico, noto anche come stress tissutale.

Durante la tempra e il raffreddamento rapido, quando lo strato superficiale viene raffreddato al punto Ms, si verifica una trasformazione martensitica che provoca un'espansione di volume. Tuttavia, a causa dell'ostruzione del nucleo che non ha ancora subito la trasformazione, lo strato superficiale genera una sollecitazione di compressione, mentre il nucleo presenta una sollecitazione di trazione. Quando la sollecitazione è sufficientemente elevata, si verifica una deformazione. Quando il nucleo viene raffreddato al punto Ms, anch'esso subisce una trasformazione martensitica e si espande di volume. Tuttavia, a causa dei vincoli imposti dallo strato superficiale trasformato, caratterizzato da bassa plasticità e alta resistenza, la sua sollecitazione residua finale sarà sotto forma di tensione superficiale e il nucleo sarà sottoposto a pressione. Si può notare che la variazione e lo stato finale della sollecitazione di trasformazione di fase sono esattamente opposti alla sollecitazione termica. Inoltre, poiché la sollecitazione di trasformazione di fase si verifica a basse temperature con bassa plasticità, la deformazione è difficoltosa in questa fase, pertanto la sollecitazione di trasformazione di fase è più propensa a causare la formazione di cricche nel pezzo.

Molti fattori influenzano l'entità della sollecitazione di trasformazione di fase. Maggiore è la velocità di raffreddamento dell'acciaio nell'intervallo di temperatura di trasformazione martensitica, maggiore è la dimensione del pezzo di acciaio, peggiore è la conduttività termica dell'acciaio, maggiore è il volume specifico della martensite, maggiore è la sollecitazione di trasformazione di fase. Inoltre, la sollecitazione di trasformazione di fase è anche correlata alla composizione dell'acciaio e alla sua temprabilità. Ad esempio, l'acciaio ad alto tenore di carbonio e alta lega aumenta il volume specifico della martensite a causa del suo elevato contenuto di carbonio, il che dovrebbe aumentare la sollecitazione di trasformazione di fase dell'acciaio. Tuttavia, con l'aumento del contenuto di carbonio, il punto Ms diminuisce e si ha una grande quantità di austenite residua dopo la tempra. La sua espansione volumetrica diminuisce e la sollecitazione residua è bassa.

(2) Deformazione del pezzo durante la tempra

Durante la tempra, si verificano due tipi principali di deformazione nel pezzo: la prima è la variazione della forma geometrica del pezzo, che si manifesta come cambiamenti di dimensioni e forma, spesso detta deformazione di torsione, causata dalle tensioni di tempra; la seconda è la deformazione volumetrica, che si manifesta come un'espansione o una contrazione proporzionale del volume del pezzo, causata dalla variazione del volume specifico durante il cambiamento di fase.

La deformazione per torsione comprende anche la deformazione di forma e la deformazione torsionale. La deformazione torsionale è causata principalmente da un posizionamento improprio del pezzo nel forno durante il riscaldamento, dalla mancanza di un trattamento di formatura dopo la correzione della deformazione prima della tempra, o da un raffreddamento non uniforme di varie parti del pezzo durante il raffreddamento. Questa deformazione può essere analizzata e risolta in situazioni specifiche. Di seguito vengono trattate principalmente la deformazione volumetrica e la deformazione di forma.

1) Cause della deformazione da tempra e relative regole di variazione

Deformazione volumetrica causata dalla trasformazione strutturale. Lo stato strutturale del pezzo prima della tempra è generalmente perlitico, ovvero una struttura mista di ferrite e cementite, mentre dopo la tempra assume una struttura martensitica. I diversi volumi specifici di questi tessuti causano variazioni di volume prima e dopo la tempra, con conseguente deformazione. Tuttavia, questa deformazione provoca solo un'espansione e una contrazione proporzionale del pezzo, senza modificarne la forma.

Inoltre, maggiore è la quantità di martensite nella struttura dopo il trattamento termico, o maggiore è il contenuto di carbonio nella martensite, maggiore sarà la sua espansione volumetrica; al contrario, maggiore è la quantità di austenite residua, minore sarà l'espansione volumetrica. Pertanto, la variazione di volume può essere controllata regolando il contenuto relativo di martensite e martensite residua durante il trattamento termico. Se controllato correttamente, il volume non si espanderà né si contrarrà.

Deformazione della forma causata da stress termico La deformazione causata da stress termico si verifica nelle zone ad alta temperatura dove la resistenza allo snervamento dei componenti in acciaio è bassa, la plasticità è elevata, la superficie si raffredda rapidamente e la differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno del pezzo è massima. In queste condizioni, lo stress termico istantaneo è una tensione di trazione superficiale e una tensione di compressione interna. Poiché la temperatura interna è elevata in questo momento, la resistenza allo snervamento è molto inferiore rispetto alla superficie, quindi si manifesta come una deformazione sotto l'azione di una tensione di compressione multidirezionale, ovvero la variazione di forma del cubo è sferica in diverse direzioni. Il risultato è che la parte più grande si contrae, mentre quella più piccola si espande. Ad esempio, un cilindro lungo si accorcia nella direzione della lunghezza e si espande nella direzione del diametro.

Deformazione della forma causata da stress tissutale. La deformazione causata da stress tissutale si verifica anche nelle prime fasi, quando lo stress tissutale è massimo. In questa fase, la differenza di temperatura nella sezione trasversale è elevata, la temperatura del nucleo è più alta, il materiale si trova ancora allo stato austenitico, la plasticità è buona e la resistenza allo snervamento è bassa. Lo stress tissutale istantaneo è una sollecitazione di compressione superficiale e una sollecitazione di trazione nel nucleo. Pertanto, la deformazione si manifesta come un allungamento del nucleo sotto l'azione di una sollecitazione di trazione multidirezionale. Il risultato è che, sotto l'azione dello stress tissutale, il lato più lungo del pezzo si allunga, mentre il lato più corto si accorcia. Ad esempio, la deformazione causata dallo stress tissutale in un cilindro lungo è un allungamento in lunghezza e una riduzione del diametro.

La tabella 5.3 mostra le regole di deformazione da tempra di vari componenti tipici in acciaio.

2) Fattori che influenzano la deformazione da tempra

I fattori che influenzano la deformazione da tempra sono principalmente la composizione chimica dell'acciaio, la struttura originale, la geometria dei pezzi e il processo di trattamento termico.

3) Raffreddamento delle crepe

Le cricche nei componenti si verificano principalmente nella fase finale di tempra e raffreddamento, ovvero dopo che la trasformazione martensitica è sostanzialmente completata o dopo il raffreddamento completo; si verifica una rottura fragile perché la sollecitazione di trazione nei componenti supera la resistenza a frattura dell'acciaio. Le cricche sono solitamente perpendicolari alla direzione di massima deformazione a trazione, quindi le diverse forme di cricche nei componenti dipendono principalmente dallo stato di distribuzione delle sollecitazioni.

Tipi comuni di cricche da tempra: le cricche longitudinali (assiali) si generano principalmente quando la sollecitazione di trazione tangenziale supera la resistenza alla rottura del materiale; le cricche trasversali si formano quando l'elevata sollecitazione di trazione assiale che si forma sulla superficie interna del pezzo supera la resistenza alla rottura del materiale. Le cricche reticolari si formano sotto l'azione di una sollecitazione di trazione bidimensionale sulla superficie; le cricche di distacco si verificano in uno strato indurito molto sottile, che può verificarsi quando la sollecitazione cambia bruscamente e una sollecitazione di trazione eccessiva agisce in direzione radiale. Tipo di cricca.

Le cricche longitudinali sono anche dette cricche assiali. Si formano in corrispondenza della massima sollecitazione di trazione, vicino alla superficie del componente, e raggiungono una certa profondità verso il centro. La direzione delle cricche è generalmente parallela all'asse, ma può cambiare in presenza di concentrazioni di sollecitazioni nel componente o di difetti strutturali interni.

Dopo la completa tempra del pezzo, si tende a formare cricche longitudinali. Ciò è dovuto all'elevata sollecitazione di trazione tangenziale presente sulla superficie del pezzo temprato. Con l'aumentare del contenuto di carbonio nell'acciaio, aumenta anche la tendenza alla formazione di cricche longitudinali. L'acciaio a basso tenore di carbonio presenta un volume specifico di martensite ridotto e un'elevata sollecitazione termica. Sulla superficie è presente un'elevata sollecitazione di compressione residua, pertanto la tempra risulta difficoltosa. Con l'aumentare del contenuto di carbonio, la sollecitazione di compressione superficiale diminuisce e la sollecitazione strutturale aumenta. Allo stesso tempo, il picco di sollecitazione di trazione si sposta verso lo strato superficiale. Di conseguenza, l'acciaio ad alto tenore di carbonio è soggetto a cricche di tempra longitudinali in caso di surriscaldamento.

Le dimensioni dei pezzi influenzano direttamente le dimensioni e la distribuzione delle tensioni residue, e di conseguenza anche la tendenza alla formazione di cricche da tempra. Le cricche longitudinali si formano facilmente anche in presenza di sezioni trasversali di dimensioni critiche. Inoltre, l'intasamento delle materie prime in acciaio spesso causa cricche longitudinali. Poiché la maggior parte dei componenti in acciaio viene prodotta mediante laminazione, le inclusioni non dorate, i carburi, ecc. presenti nell'acciaio si distribuiscono lungo la direzione di deformazione, rendendo l'acciaio anisotropo. Ad esempio, se l'acciaio per utensili presenta una struttura a bande, la sua resistenza alla frattura trasversale dopo la tempra è inferiore del 30-50% rispetto alla resistenza alla frattura longitudinale. Se nell'acciaio sono presenti fattori come le inclusioni non dorate che causano concentrazione di stress, anche se lo stress tangenziale è maggiore dello stress assiale, le cricche longitudinali si formano facilmente in condizioni di basso stress. Per questo motivo, un rigoroso controllo del livello di inclusioni non metalliche e zuccheri nell'acciaio è un fattore importante per prevenire le cricche da tempra.

Le caratteristiche di distribuzione delle tensioni interne nelle cricche trasversali e ad arco sono le seguenti: la superficie è soggetta a una tensione di compressione. Dopo essersi allontanata dalla superficie per una certa distanza, la tensione di compressione si trasforma in una forte tensione di trazione. La cricca si forma nell'area di tensione di trazione e, successivamente, la tensione interna si propaga alla superficie del pezzo solo se si verifica una ridistribuzione delle tensioni o se la fragilità dell'acciaio aumenta ulteriormente.

Le cricche trasversali si verificano spesso in grandi parti di alberi, come rulli, rotori di turbine o altre parti di alberi. La caratteristica di queste cricche è che sono perpendicolari alla direzione dell'asse e si propagano dall'interno verso l'esterno. Si formano spesso prima della tempra e sono causate da stress termico. I grandi pezzi forgiati presentano spesso difetti metallurgici come pori, inclusioni, cricche di forgiatura e macchie bianche. Questi difetti fungono da punto di innesco per la frattura e si rompono sotto l'azione di una sollecitazione di trazione assiale. Le cricche ad arco sono causate da stress termico e si distribuiscono solitamente a forma di arco nelle parti in cui cambia la forma del pezzo. Si verificano principalmente all'interno del pezzo o in prossimità di spigoli vivi, scanalature e fori, e si distribuiscono a forma di arco. Quando i pezzi in acciaio ad alto tenore di carbonio con un diametro o uno spessore da 80 a 100 mm o più non vengono temprati, la superficie mostrerà una sollecitazione di compressione e il centro mostrerà una sollecitazione di trazione. Lo stress, la massima sollecitazione di trazione si verifica nella zona di transizione dallo strato indurito a quello non indurito, e in queste aree si formano cricche ad arco. Inoltre, la velocità di raffreddamento in corrispondenza di spigoli e angoli vivi è rapida e tutti i componenti vengono temprati. Durante la transizione verso le parti più morbide, ovvero verso l'area non indurita, si manifesta la massima zona di sollecitazione di trazione, pertanto è probabile che si verifichino cricche ad arco. La velocità di raffreddamento in prossimità del foro, della scanalatura o del foro centrale del pezzo è lenta, il corrispondente strato indurito è sottile e la sollecitazione di trazione in prossimità della zona di transizione indurita può facilmente causare cricche ad arco.

Le cricche reticolari, note anche come cricche superficiali, sono cricche di superficie. La loro profondità è generalmente ridotta, intorno a 0,01-1,5 mm. La caratteristica principale di questo tipo di cricca è che la sua direzione è arbitraria e non dipende dalla forma del pezzo. Molte cricche sono collegate tra loro a formare una rete e sono ampiamente distribuite. Quando la profondità della cricca aumenta, ad esempio superando 1 mm, la caratteristica di rete scompare e le cricche diventano orientate in modo casuale o distribuite longitudinalmente. Le cricche reticolari sono correlate allo stato di sollecitazione di trazione bidimensionale sulla superficie.

I componenti in acciaio ad alto tenore di carbonio o cementato con uno strato decarburato in superficie sono soggetti alla formazione di cricche reticolari durante la tempra. Ciò è dovuto al fatto che lo strato superficiale ha un contenuto di carbonio inferiore e un volume specifico minore rispetto allo strato interno di martensite. Durante la tempra, lo strato superficiale di carburo è sottoposto a sollecitazioni di trazione. Anche i componenti il ​​cui strato decarburato non è stato completamente rimosso durante la lavorazione meccanica formeranno cricche reticolari durante la tempra superficiale ad alta frequenza o a fiamma. Per evitare tali cricche, è necessario controllare rigorosamente la qualità superficiale dei componenti ed evitare la saldatura per ossidazione durante il trattamento termico. Inoltre, dopo un certo periodo di utilizzo dello stampo di forgiatura, rientrano in questa tipologia le cricche da fatica termica che si presentano in strisce o reticoli nella cavità e le cricche che si formano durante la rettifica dei componenti temprati.

Le cricche di distacco si verificano in un'area molto ristretta dello strato superficiale. Le sollecitazioni compressive agiscono in direzione assiale e tangenziale, mentre le sollecitazioni di trazione si verificano in direzione radiale. Le cricche sono parallele alla superficie del pezzo. Il distacco dello strato indurito dopo il raffreddamento di pezzi sottoposti a tempra superficiale e cementazione rientra in questa categoria di cricche. La sua comparsa è correlata alla struttura irregolare dello strato indurito. Ad esempio, dopo il raffreddamento a una certa velocità di un acciaio legato cementato, la struttura dello strato cementato è la seguente: strato esterno di perlite finissima + carburi, strato sottostante di martensite + austenite residua, strato interno di perlite fine o finissima. Poiché il volume specifico di formazione della martensite del sottostrato è il più grande, il risultato dell'espansione volumetrica è che una sollecitazione di compressione agisce sullo strato superficiale nelle direzioni assiale e tangenziale, e una sollecitazione di trazione si verifica in direzione radiale, e si verifica una mutazione della sollecitazione verso l'interno, passando a uno stato di sollecitazione di compressione, e si verificano cricche di distacco nelle aree estremamente sottili dove la transizione di sollecitazione è brusca. Generalmente, le cricche si annidano all'interno parallelamente alla superficie e, nei casi più gravi, possono causare il distacco della superficie. Se la velocità di raffreddamento dei pezzi cementati viene accelerata o ridotta, è possibile ottenere una struttura di martensite uniforme o una struttura di perlite ultrafine nello strato cementato, che può prevenire la formazione di tali cricche. Inoltre, durante la tempra superficiale ad alta frequenza o a fiamma, la superficie è spesso surriscaldata e l'eterogeneità strutturale lungo lo strato indurito può facilmente formare tali cricche superficiali.

Le microfratture si distinguono dalle quattro tipologie di cricche precedentemente menzionate in quanto sono causate da microtensioni. Le cricche intergranulari che compaiono dopo la tempra, il surriscaldamento e la rettifica di acciai per utensili ad alto tenore di carbonio o di pezzi cementati, così come le cricche causate da un rinvenimento non tempestivo dei pezzi temprati, sono tutte correlate alla presenza e alla successiva propagazione di microfratture nell'acciaio.

Le microfratture devono essere esaminate al microscopio. Solitamente si formano ai bordi dei grani di austenite originali o in corrispondenza delle giunzioni tra le lamelle di martensite. Alcune fratture penetrano nelle lamelle di martensite. La ricerca dimostra che le microfratture sono più comuni nella martensite geminata lamellare. Ciò è dovuto al fatto che le lamelle di martensite collidono tra loro durante la crescita ad alta velocità, generando elevate sollecitazioni. Tuttavia, la martensite geminata stessa è fragile e non può produrre deformazione plastica, che rilassa le tensioni, causando così facilmente la formazione di microfratture. I grani di austenite sono grossolani e la suscettibilità alle microfratture aumenta. La presenza di microfratture nell'acciaio riduce significativamente la resistenza e la plasticità dei pezzi temprati, portando a danni precoci (fratture) dei pezzi stessi.

Per evitare microfratture nei componenti in acciaio ad alto tenore di carbonio, si possono adottare misure quali una temperatura di tempra inferiore, l'ottenimento di una struttura martensitica fine e la riduzione del contenuto di carbonio nella martensite. Inoltre, un tempra tempestivo è un metodo efficace per ridurre le tensioni interne. Test hanno dimostrato che, dopo un tempra sufficientemente accurato a temperature superiori a 200 °C, i carburi precipitati in corrispondenza delle cricche hanno l'effetto di "saldarle", riducendo significativamente il rischio di microfratture.

Quanto sopra descrive le cause e i metodi di prevenzione delle cricche in base alla loro distribuzione. Nella produzione reale, la distribuzione delle cricche varia a causa di fattori quali la qualità dell'acciaio, la forma del pezzo e la tecnologia di lavorazione a caldo e a freddo. Talvolta le cricche sono già presenti prima del trattamento termico e si espandono ulteriormente durante il processo di tempra; altre volte, diverse tipologie di cricche possono comparire contemporaneamente nello stesso pezzo. In questo caso, sulla base delle caratteristiche morfologiche della cricca, dell'analisi macroscopica della superficie di frattura, dell'esame metallografico e, se necessario, dell'analisi chimica e di altri metodi, è opportuno condurre un'analisi completa che consideri la qualità del materiale, la struttura organizzativa e le cause delle sollecitazioni da trattamento termico, al fine di individuare le cause principali della cricca e quindi determinare misure preventive efficaci.

L'analisi delle fratture è un metodo importante per analizzare le cause delle crepe. Ogni frattura ha un punto di innesco per le crepe. Le crepe da tempra di solito iniziano dal punto di convergenza delle crepe radiali.

Se l'origine della cricca si trova sulla superficie del componente, significa che la cricca è causata da un'eccessiva sollecitazione di trazione sulla superficie stessa. Se non sono presenti difetti strutturali come inclusioni superficiali, ma vi sono fattori di concentrazione delle sollecitazioni quali segni di taglio profondi, scaglie di ossido, spigoli vivi di componenti in acciaio o parti con deformazioni strutturali, possono verificarsi delle cricche.

Se l'origine della cricca è interna al componente, è correlata a difetti del materiale o a un'eccessiva tensione residua interna. La superficie di frattura in caso di tempra normale è grigia e di porcellana fine. Se la superficie di frattura è grigio scuro e ruvida, ciò è dovuto a surriscaldamento o a uno spessore eccessivo del tessuto originale.

In generale, la sezione vetrosa della cricca di tempra non dovrebbe presentare colorazione da ossidazione né decarburazione intorno ad essa. La presenza di decarburazione intorno alla cricca o di colorazione da ossidazione nella sezione della cricca indica che il pezzo presentava già delle cricche prima della tempra e che queste si propagheranno sotto l'effetto delle sollecitazioni del trattamento termico. Se si osservano carburi segregati e inclusioni in prossimità delle cricche del pezzo, significa che le cricche sono correlate a una forte segregazione di carburi nella materia prima o alla presenza di inclusioni. Se le cricche compaiono solo sugli angoli vivi o nelle parti con deformazione del pezzo, senza i fenomeni sopra descritti, significa che la causa è da attribuire a una progettazione strutturale inadeguata del pezzo, a misure di prevenzione delle cricche insufficienti o a sollecitazioni eccessive dovute al trattamento termico.

Inoltre, le crepe nei componenti sottoposti a trattamento termico chimico e a tempra superficiale compaiono per lo più in prossimità dello strato indurito. Migliorare la struttura dello strato indurito e ridurre le tensioni del trattamento termico sono accorgimenti importanti per evitare la formazione di crepe superficiali.