ครบถ้วนและละเอียด! ความรู้สมบูรณ์เกี่ยวกับการชุบแข็งเหล็ก!

นิยามและวัตถุประสงค์ของการดับเย็น
เหล็กกล้าจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤต Ac3 (เหล็กกล้าไฮโปยูเทคทอยด์) หรือ Ac1 (เหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเทคทอยด์) คงอุณหภูมิไว้ระยะหนึ่งเพื่อให้เกิดการออสเทนไนซ์อย่างสมบูรณ์หรือบางส่วน จากนั้นจึงทำให้เย็นลงด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็ววิกฤตของการชุบแข็ง กระบวนการอบชุบความร้อนที่เปลี่ยนออสเทนไนต์ที่เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วให้กลายเป็นมาร์เทนไซต์หรือเบไนต์ล่างเรียกว่าการชุบแข็ง

จุดประสงค์ของการชุบแข็งคือการเปลี่ยนออสเทนไนต์ที่เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วให้กลายเป็นมาร์เทนไซต์หรือเบนไนต์ เพื่อให้ได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์หรือเบนไนต์ที่มีขนาดเล็กกว่า จากนั้นจึงนำไปรวมกับการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่างๆ เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง และความต้านทานของเหล็กอย่างมาก รวมถึงความสามารถในการสึกหรอ ความแข็งแรงต่อความล้า และความเหนียว ฯลฯ เพื่อตอบสนองความต้องการใช้งานที่แตกต่างกันของชิ้นส่วนและเครื่องมือกลต่างๆ การชุบแข็งยังสามารถใช้เพื่อตอบสนองคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีพิเศษของเหล็กชนิดพิเศษบางชนิด เช่น คุณสมบัติแม่เหล็กและความต้านทานการกัดกร่อน

เมื่อชิ้นส่วนเหล็กถูกทำให้เย็นลงในตัวกลางชุบแข็งที่มีการเปลี่ยนแปลงสถานะทางกายภาพ กระบวนการทำความเย็นโดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนดังต่อไปนี้: ขั้นตอนฟิล์มไอ ขั้นตอนการเดือด และขั้นตอนการพาความร้อน

ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็ก
ความสามารถในการชุบแข็งและคุณสมบัติการชุบแข็งเป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพสองประการที่บ่งบอกถึงความสามารถของเหล็กในการผ่านกระบวนการชุบแข็ง นอกจากนี้ยังเป็นพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการเลือกและการใช้งานวัสดุอีกด้วย

1. แนวคิดเรื่องความสามารถในการชุบแข็งและคุณสมบัติการชุบแข็ง

ความสามารถในการชุบแข็งคือความสามารถของเหล็กในการบรรลุความแข็งสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้เมื่อผ่านกระบวนการชุบแข็งและทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่เหมาะสม ปัจจัยหลักที่กำหนดความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กคือปริมาณคาร์บอนในเหล็ก กล่าวคือ ปริมาณคาร์บอนที่ละลายอยู่ในออสเทนไนต์ระหว่างการชุบแข็งและการให้ความร้อน ยิ่งปริมาณคาร์บอนสูง ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กก็ยิ่งสูงขึ้น ธาตุผสมในเหล็กมีผลกระทบต่อความสามารถในการชุบแข็งเพียงเล็กน้อย แต่มีผลกระทบอย่างมากต่อความสามารถในการชุบแข็งของเหล็ก

ความสามารถในการชุบแข็ง หมายถึงลักษณะเฉพาะที่กำหนดความลึกของการชุบแข็งและการกระจายความแข็งของเหล็กภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด กล่าวคือ ความสามารถในการได้ความลึกของชั้นชุบแข็งเมื่อเหล็กถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว นี่เป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของเหล็ก ความสามารถในการชุบแข็งสะท้อนให้เห็นถึงความง่ายในการเปลี่ยนออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์เมื่อเหล็กถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว โดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับความเสถียรของออสเทนไนต์ที่เย็นตัวอย่างรวดเร็วของเหล็ก หรืออัตราการเย็นตัวอย่างรวดเร็วที่สำคัญของเหล็ก

ควรชี้แจงด้วยว่า ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กนั้นแตกต่างจากความลึกของการชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพของชิ้นส่วนเหล็กภายใต้สภาวะการชุบแข็งเฉพาะ ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กเป็นคุณสมบัติโดยธรรมชาติของเหล็กเอง ขึ้นอยู่กับปัจจัยภายในเท่านั้นและไม่เกี่ยวข้องกับปัจจัยภายนอก ส่วนความลึกของการชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพนั้น ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ด้วย เกี่ยวข้องกับปัจจัยภายนอก เช่น สารหล่อเย็นและขนาดของชิ้นงาน ตัวอย่างเช่น ภายใต้สภาวะการออสเทนไนซ์เดียวกัน ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กชนิดเดียวกันจะเท่ากัน แต่ความลึกของการชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพของการชุบด้วยน้ำจะมากกว่าการชุบด้วยน้ำมัน และชิ้นส่วนขนาดเล็กจะมีความลึกของการชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่าการชุบด้วยน้ำมัน ส่วนชิ้นส่วนขนาดใหญ่จะมีความลึกของการชุบแข็งที่มีประสิทธิภาพมากกว่า จึงไม่สามารถกล่าวได้ว่าการชุบด้วยน้ำมีความสามารถในการชุบแข็งสูงกว่าการชุบด้วยน้ำมัน และไม่สามารถกล่าวได้ว่าชิ้นส่วนขนาดเล็กมีความสามารถในการชุบแข็งสูงกว่าชิ้นส่วนขนาดใหญ่ จะเห็นได้ว่าในการประเมินความสามารถในการชุบแข็งของเหล็ก จำเป็นต้องขจัดอิทธิพลของปัจจัยภายนอก เช่น รูปทรง ขนาดของชิ้นงาน สารหล่อเย็น เป็นต้น

นอกจากนี้ เนื่องจากความสามารถในการชุบแข็งและคุณสมบัติการชุบแข็งเป็นสองแนวคิดที่แตกต่างกัน เหล็กที่มีความแข็งสูงหลังการชุบแข็งจึงไม่จำเป็นต้องมีคุณสมบัติการชุบแข็งสูงเสมอไป และเหล็กที่มีความแข็งต่ำก็อาจมีคุณสมบัติการชุบแข็งสูงได้เช่นกัน

2. ปัจจัยที่มีผลต่อความสามารถในการชุบแข็ง

ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กขึ้นอยู่กับความเสถียรของออสเทนไนต์ ปัจจัยใดๆ ที่สามารถปรับปรุงความเสถียรของออสเทนไนต์ที่เย็นตัวยิ่งยวด เลื่อนเส้นโค้ง C ไปทางขวา และลดอัตราการเย็นตัววิกฤตลงได้ จะช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูง ความเสถียรของออสเทนไนต์ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี ขนาดเกรน และความสม่ำเสมอขององค์ประกอบ ซึ่งเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบทางเคมีของเหล็กและสภาวะการให้ความร้อน

3. วิธีการวัดความสามารถในการชุบแข็ง

มีหลายวิธีในการวัดความสามารถในการชุบแข็งของเหล็ก วิธีที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดคือ วิธีการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤต และวิธีการทดสอบความสามารถในการชุบแข็งที่ปลายชิ้นงาน

(1) วิธีการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤต

หลังจากที่เหล็กถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วในตัวกลางที่กำหนดแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดที่แกนกลางมีโครงสร้างมาร์เทนไซต์ทั้งหมดหรือ 50% เรียกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤต ซึ่งแทนด้วย Dc วิธีการวัดเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตคือการทำแท่งกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างกันหลายๆ แท่ง แล้วหลังจากทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วแล้ว ให้วัดค่าความแข็ง U ที่กระจายตามเส้นผ่านศูนย์กลางในแต่ละส่วนของชิ้นงาน และหาแท่งที่มีโครงสร้างกึ่งมาร์เทนไซต์อยู่ตรงกลาง เส้นผ่านศูนย์กลางของแท่งกลมนั้นคือเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤต ยิ่งเส้นผ่านศูนย์กลางวิกฤตมีค่ามากเท่าใด ความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

(2) วิธีทดสอบการดับปลาย

วิธีทดสอบการชุบแข็งปลายใช้ชิ้นงานทดสอบขนาดมาตรฐาน (Ф25 มม. × 100 มม.) หลังจากผ่านกระบวนการออสเทนไนเซชันแล้ว จะฉีดน้ำลงบนปลายด้านหนึ่งของชิ้นงานโดยใช้เครื่องมือพิเศษเพื่อทำให้เย็นลง หลังจากเย็นลงแล้ว จะวัดความแข็งตามแนวแกน – จากปลายด้านที่เย็นด้วยน้ำ วิธีทดสอบนี้ใช้สำหรับสร้างกราฟความสัมพันธ์ระยะทาง วิธีทดสอบการชุบแข็งปลายเป็นหนึ่งในวิธีการกำหนดความสามารถในการชุบแข็งของเหล็ก ข้อดีคือใช้งานง่ายและมีขอบเขตการใช้งานกว้าง

4. ความเค้นจากการชุบแข็ง การเสียรูป และการแตกร้าว

(1) ความเครียดภายในของชิ้นงานระหว่างการชุบแข็ง

เมื่อชิ้นงานถูกทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วในตัวกลางชุบแข็ง เนื่องจากชิ้นงานมีขนาดที่แน่นอนและค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนก็มีค่าที่แน่นอนเช่นกัน จึงจะเกิดการไล่ระดับอุณหภูมิขึ้นตามส่วนภายในของชิ้นงานในระหว่างกระบวนการเย็นตัว อุณหภูมิที่ผิวจะต่ำ อุณหภูมิที่แกนกลางจะสูง ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างผิวและแกนกลาง ในระหว่างกระบวนการเย็นตัวของชิ้นงาน ยังมีปรากฏการณ์ทางกายภาพสองอย่างเกิดขึ้น คือ การขยายตัวทางความร้อน เมื่ออุณหภูมิลดลง ความยาวของชิ้นงานจะหดตัวลง และการเปลี่ยนรูปจากออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์ เมื่ออุณหภูมิลดลงถึงจุดเปลี่ยนรูปมาร์เทนไซต์ ซึ่งจะทำให้ปริมาตรจำเพาะเพิ่มขึ้น เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิในระหว่างกระบวนการเย็นตัว ปริมาณการขยายตัวทางความร้อนจะแตกต่างกันในส่วนต่างๆ ตามหน้าตัดของชิ้นงาน และจะเกิดความเค้นภายในในส่วนต่างๆ ของชิ้นงาน เนื่องจากมีความแตกต่างของอุณหภูมิภายในชิ้นงาน อาจมีบางส่วนที่อุณหภูมิลดลงเร็วกว่าจุดที่เกิดการเปลี่ยนรูปมาร์เทนไซต์ ในระหว่างกระบวนการชุบแข็งและทำให้เย็นตัว ปริมาตรจะขยายตัว และส่วนที่มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดนั้นจะยังคงสูงกว่าและยังคงอยู่ในสถานะออสเทนไนต์ ส่วนต่างๆ เหล่านี้จะก่อให้เกิดความเค้นภายในเนื่องจากความแตกต่างของการเปลี่ยนแปลงปริมาตรจำเพาะ ดังนั้น ความเค้นภายในสองชนิดอาจเกิดขึ้นได้ในระหว่างกระบวนการชุบแข็งและทำให้เย็นตัว คือ ความเค้นจากความร้อน และความเค้นจากเนื้อเยื่อ

ตามลักษณะการคงอยู่ของความเค้นภายใน สามารถแบ่งออกเป็นความเค้นทันทีและความเค้นตกค้างได้เช่นกัน ความเค้นภายในที่เกิดขึ้นในชิ้นงาน ณ ช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งระหว่างกระบวนการระบายความร้อน เรียกว่า ความเค้นทันที ส่วนความเค้นที่ยังคงอยู่ภายในชิ้นงานหลังจากชิ้นงานเย็นตัวลงแล้ว เรียกว่า ความเค้นตกค้าง

ความเค้นจากความร้อน หมายถึง ความเค้นที่เกิดจากการขยายตัวทางความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ (หรือการหดตัวเมื่อเย็นตัวลง) อันเนื่องมาจากความแตกต่างของอุณหภูมิในส่วนต่างๆ ของชิ้นงานเมื่อถูกทำให้ร้อน (หรือเย็นตัวลง)

ต่อไปนี้จะยกตัวอย่างทรงกระบอกตันเพื่ออธิบายกฎการเกิดและการเปลี่ยนแปลงของความเค้นภายในระหว่างกระบวนการเย็นตัว ในที่นี้จะกล่าวถึงเฉพาะความเค้นตามแนวแกนเท่านั้น ในช่วงเริ่มต้นของการเย็นตัว เนื่องจากพื้นผิวเย็นตัวอย่างรวดเร็ว อุณหภูมิจึงต่ำและหดตัวมาก ในขณะที่แกนกลางเย็นตัวลง อุณหภูมิสูง และการหดตัวน้อย ส่งผลให้พื้นผิวและภายในต่างยึดเหนี่ยวกัน ทำให้เกิดความเค้นดึงที่พื้นผิว ในขณะที่แกนกลางอยู่ภายใต้ความเค้นอัด เมื่อการเย็นตัวดำเนินต่อไป ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกจะเพิ่มขึ้น และความเค้นภายในก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย เมื่อความเค้นเพิ่มขึ้นจนเกินความแข็งแรงครากที่อุณหภูมินี้ การเสียรูปพลาสติกจะเกิดขึ้น เนื่องจากความหนาของแกนกลางมากกว่าความหนาของพื้นผิว แกนกลางจึงหดตัวตามแนวแกนก่อนเสมอ ผลจากการเสียรูปพลาสติก ทำให้ความเค้นภายในไม่เพิ่มขึ้นอีกต่อไป หลังจากเย็นตัวลงถึงระยะเวลาหนึ่ง การลดลงของอุณหภูมิพื้นผิวจะค่อยๆ ช้าลง และการหดตัวก็จะค่อยๆ ลดลงเช่นกัน ในขณะนี้ แกนกลางยังคงหดตัวอยู่ ดังนั้นแรงดึงบนพื้นผิวและแรงอัดในแกนกลางจะค่อยๆ ลดลงจนหายไป อย่างไรก็ตาม เมื่อการเย็นตัวดำเนินต่อไป ความชื้นบนพื้นผิวจะลดลงเรื่อยๆ และปริมาณการหดตัวจะน้อยลงเรื่อยๆ หรืออาจหยุดหดตัวไปเลย เนื่องจากอุณหภูมิในแกนกลางยังคงสูงอยู่ มันจึงยังคงหดตัวต่อไป และในที่สุดจะเกิดแรงอัดบนพื้นผิวของชิ้นงาน ในขณะที่แกนกลางจะมีแรงดึง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอุณหภูมิต่ำ การเสียรูปพลาสติกจึงเกิดขึ้นได้ยาก ดังนั้นแรงดึงนี้จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อการเย็นตัวดำเนินต่อไป มันจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและในที่สุดก็จะคงอยู่ภายในชิ้นงานในรูปของแรงดึงตกค้าง

จะเห็นได้ว่า ความเครียดจากความร้อนในระหว่างกระบวนการทำความเย็นในตอนแรกทำให้ชั้นผิวถูกยืดออกและแกนกลางถูกบีบอัด และความเครียดตกค้างที่เหลืออยู่จะทำให้ชั้นผิวถูกบีบอัดและแกนกลางถูกยืดออก

โดยสรุปแล้ว ความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการชุบแข็งเกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิในส่วนตัดขวางระหว่างกระบวนการระบายความร้อน ยิ่งอัตราการระบายความร้อนสูงและยิ่งความแตกต่างของอุณหภูมิในส่วนตัดขวางมากเท่าใด ความเครียดจากความร้อนที่เกิดขึ้นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ภายใต้เงื่อนไขของตัวกลางการระบายความร้อนเดียวกัน ยิ่งอุณหภูมิความร้อนของชิ้นงานสูงขึ้น ขนาดของชิ้นงานใหญ่ขึ้น ค่าการนำความร้อนของเหล็กต่ำลง ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในชิ้นงานก็จะยิ่งมากขึ้น และความเครียดจากความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้น หากชิ้นงานถูกระบายความร้อนอย่างไม่สม่ำเสมอที่อุณหภูมิสูง ชิ้นงานจะบิดเบี้ยวและเสียรูป หากความเครียดดึงชั่วขณะที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการระบายความร้อนของชิ้นงานมากกว่าความแข็งแรงดึงของวัสดุ จะเกิดรอยแตกจากการชุบแข็งขึ้น

ความเค้นจากการเปลี่ยนแปลงเฟส หมายถึง ความเค้นที่เกิดจากจังหวะเวลาที่แตกต่างกันของการเปลี่ยนแปลงเฟสในส่วนต่างๆ ของชิ้นงานระหว่างกระบวนการอบชุบความร้อน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่า ความเค้นในเนื้อวัสดุ

ในระหว่างการชุบแข็งและการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว เมื่อชั้นผิวเย็นตัวลงถึงจุด Ms การเปลี่ยนแปลงเฟสแบบมาร์เทนไซต์จะเกิดขึ้นและทำให้ปริมาตรขยายตัว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการกีดขวางของแกนกลางที่ยังไม่เปลี่ยนแปลงเฟส ชั้นผิวจึงเกิดความเค้นอัด ในขณะที่แกนกลางมีความเค้นดึง เมื่อความเค้นมีมากพอ จะทำให้เกิดการเสียรูป เมื่อแกนกลางเย็นตัวลงถึงจุด Ms มันก็จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสแบบมาร์เทนไซต์และขยายตัวในปริมาตรเช่นกัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของชั้นผิวที่เปลี่ยนแปลงเฟสแล้วซึ่งมีความยืดหยุ่นต่ำและมีความแข็งแรงสูง ความเค้นตกค้างสุดท้ายจึงอยู่ในรูปของแรงตึงผิว และแกนกลางจะอยู่ภายใต้แรงดัน จะเห็นได้ว่าการเปลี่ยนแปลงและสถานะสุดท้ายของความเค้นจากการเปลี่ยนแปลงเฟสนั้นตรงกันข้ามกับความเค้นจากความร้อนอย่างสิ้นเชิง ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากความเค้นจากการเปลี่ยนแปลงเฟสเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำและมีความยืดหยุ่นต่ำ การเสียรูปจึงทำได้ยากในขณะนี้ ดังนั้นความเค้นจากการเปลี่ยนแปลงเฟสจึงมีแนวโน้มที่จะทำให้ชิ้นงานแตกร้าวได้มากกว่า

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อขนาดของความเค้นจากการเปลี่ยนเฟส ยิ่งอัตราการเย็นตัวของเหล็กในช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสเป็นมาร์เทนไซต์เร็วเท่าไร ขนาดของชิ้นเหล็กยิ่งใหญ่เท่าไร ค่าการนำความร้อนของเหล็กยิ่งแย่ลงเท่าไร ปริมาตรจำเพาะของมาร์เทนไซต์ยิ่งมากขึ้นเท่าไร ความเค้นจากการเปลี่ยนเฟสก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น นอกจากนี้ ความเค้นจากการเปลี่ยนเฟสยังเกี่ยวข้องกับองค์ประกอบของเหล็กและความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กด้วย ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าผสมคาร์บอนสูงจะเพิ่มปริมาตรจำเพาะของมาร์เทนไซต์เนื่องจากปริมาณคาร์บอนสูง ซึ่งควรจะเพิ่มความเค้นจากการเปลี่ยนเฟสของเหล็ก อย่างไรก็ตาม เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น จุด Ms จะลดลง และมีออสเทนไนต์เหลืออยู่มากหลังจากการชุบแข็ง การขยายตัวของปริมาตรลดลง และความเค้นตกค้างจึงต่ำ

(2) การเสียรูปของชิ้นงานระหว่างการชุบแข็ง

ในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง จะเกิดการเสียรูปในชิ้นงานหลักๆ สองประเภท คือ ประเภทแรกคือการเปลี่ยนแปลงรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงาน ซึ่งแสดงออกมาในรูปของการเปลี่ยนแปลงขนาดและรูปร่าง มักเรียกว่าการบิดเบี้ยว ซึ่งเกิดจากความเค้นจากการชุบแข็ง และประเภทที่สองคือการเปลี่ยนแปลงปริมาตร ซึ่งแสดงออกมาในรูปของการขยายตัวหรือการหดตัวของปริมาตรชิ้นงานอย่างเป็นสัดส่วน ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรจำเพาะในระหว่างการเปลี่ยนสถานะ

การเสียรูปทรงแบบบิดเบี้ยวรวมถึงการเสียรูปทรงและการเสียรูปทรงแบบบิดตัว การเสียรูปทรงแบบบิดตัวส่วนใหญ่เกิดจากการวางชิ้นงานในเตาเผาที่ไม่เหมาะสมระหว่างการให้ความร้อน หรือการขาดการขึ้นรูปหลังจากการแก้ไขการเสียรูปก่อนการชุบแข็ง หรือการระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของส่วนต่างๆ ของชิ้นงานเมื่อชิ้นงานเย็นตัวลง การเสียรูปนี้สามารถวิเคราะห์และแก้ไขได้ในสถานการณ์เฉพาะ ต่อไปนี้จะกล่าวถึงการเสียรูปทรงปริมาตรและการเสียรูปทรงเป็นหลัก

1) สาเหตุของการเสียรูปจากการชุบแข็งและกฎเกณฑ์ที่เปลี่ยนแปลงไป

การเปลี่ยนรูปปริมาตรที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง โดยทั่วไปแล้ว โครงสร้างของชิ้นงานก่อนการชุบแข็งจะเป็นเพิร์ลไลต์ ซึ่งเป็นโครงสร้างผสมระหว่างเฟอร์ไรต์และซีเมนต์ไทต์ และหลังจากชุบแข็งแล้วจะเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ปริมาตรจำเพาะที่แตกต่างกันของเนื้อเยื่อเหล่านี้จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรก่อนและหลังการชุบแข็ง ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนรูป อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนรูปนี้ทำให้ชิ้นงานขยายและหดตัวตามสัดส่วนเท่านั้น จึงไม่ทำให้รูปร่างของชิ้นงานเปลี่ยนแปลงไป

นอกจากนี้ ยิ่งมีมาร์เทนไซต์ในโครงสร้างหลังการอบชุบความร้อนมากเท่าไร หรือยิ่งมีปริมาณคาร์บอนในมาร์เทนไซต์สูงเท่าไร การขยายตัวของปริมาตรก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และยิ่งมีออสเทนไซต์ที่หลงเหลืออยู่มากเท่าไร การขยายตัวของปริมาตรก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงปริมาตรสามารถควบคุมได้โดยการควบคุมปริมาณสัมพัทธ์ของมาร์เทนไซต์และมาร์เทนไซต์ที่เหลืออยู่ระหว่างการอบชุบความร้อน หากควบคุมได้อย่างเหมาะสม ปริมาตรจะไม่ขยายตัวหรือหดตัว

การเสียรูปเนื่องจากความเค้นจากความร้อน การเสียรูปเนื่องจากความเค้นจากความร้อนเกิดขึ้นในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งความแข็งแรงคราของชิ้นส่วนเหล็กต่ำ ความยืดหยุ่นสูง ผิวเย็นตัวอย่างรวดเร็ว และความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างภายในและภายนอกชิ้นงานมีมากที่สุด ในขณะนี้ ความเค้นจากความร้อนในทันทีคือความเค้นดึงที่ผิวและความเค้นอัดที่แกนกลาง เนื่องจากอุณหภูมิแกนกลางสูงในขณะนี้ ความแข็งแรงคราจึงต่ำกว่าผิวมาก ดังนั้นจึงแสดงออกมาเป็นการเสียรูปภายใต้การกระทำของความเค้นอัดหลายทิศทาง กล่าวคือ ลูกบาศก์จะเปลี่ยนเป็นทรงกลมในทิศทางต่างๆ ผลที่ได้คือ วัตถุขนาดใหญ่จะหดตัว ในขณะที่วัตถุขนาดเล็กจะขยายตัว ตัวอย่างเช่น ทรงกระบอกยาวจะหดตัวในทิศทางความยาวและขยายตัวในทิศทางเส้นผ่านศูนย์กลาง

การเสียรูปเนื่องจากความเค้นในเนื้อเยื่อ การเสียรูปเนื่องจากความเค้นในเนื้อเยื่อยังเกิดขึ้นในช่วงแรกที่ความเค้นในเนื้อเยื่อมีค่าสูงสุด ในเวลานั้น ความแตกต่างของอุณหภูมิในหน้าตัดมีมาก อุณหภูมิแกนกลางสูงกว่า ยังคงอยู่ในสถานะออสเทนไนต์ ความยืดหยุ่นดี และความแข็งแรงคราต่ำ ความเค้นในเนื้อเยื่อ ณ ขณะนั้นคือความเค้นอัดที่ผิวและความเค้นดึงที่แกนกลาง ดังนั้น การเสียรูปจึงแสดงออกมาเป็นการยืดตัวของแกนกลางภายใต้การกระทำของความเค้นดึงหลายทิศทาง ผลที่ได้คือ ภายใต้การกระทำของความเค้นในเนื้อเยื่อ ด้านที่ใหญ่กว่าของชิ้นงานจะยืดออก ในขณะที่ด้านที่เล็กกว่าจะหดลง ตัวอย่างเช่น การเสียรูปที่เกิดจากความเค้นในเนื้อเยื่อในทรงกระบอกยาวคือการยืดออกในแนวยาวและการลดลงของเส้นผ่านศูนย์กลาง

ตารางที่ 5.3 แสดงกฎการเสียรูปจากการชุบแข็งของชิ้นส่วนเหล็กทั่วไปชนิดต่างๆ

2) ปัจจัยที่มีผลต่อการเสียรูปจากการชุบแข็ง

ปัจจัยที่มีผลต่อการเสียรูปจากการชุบแข็งส่วนใหญ่ได้แก่ องค์ประกอบทางเคมีของเหล็ก โครงสร้างดั้งเดิม รูปทรงของชิ้นส่วน และกระบวนการอบชุบความร้อน

3) รอยแตกร้าวจากการชุบแข็ง

รอยแตกในชิ้นส่วนส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นในช่วงปลายของการชุบแข็งและการเย็นตัว กล่าวคือ หลังจากที่การเปลี่ยนรูปมาร์เทนไซต์เสร็จสมบูรณ์แล้ว หรือหลังจากที่เย็นตัวลงอย่างสมบูรณ์แล้ว จะเกิดการแตกหักแบบเปราะเนื่องจากความเค้นดึงในชิ้นส่วนเกินกว่าความแข็งแรงในการแตกหักของเหล็ก รอยแตกมักจะตั้งฉากกับทิศทางของการเสียรูปดึงสูงสุด ดังนั้นรูปแบบของรอยแตกในชิ้นส่วนจึงขึ้นอยู่กับสถานะการกระจายความเค้นเป็นหลัก

ประเภทของรอยแตกจากการชุบแข็งที่พบได้ทั่วไป: รอยแตกตามยาว (ตามแนวแกน) เกิดขึ้นเป็นหลักเมื่อความเค้นดึงในแนวสัมผัสเกินกว่าความแข็งแรงในการแตกหักของวัสดุ รอยแตกตามขวางเกิดขึ้นเมื่อความเค้นดึงตามแนวแกนขนาดใหญ่ที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวด้านในของชิ้นส่วนเกินกว่าความแข็งแรงในการแตกหักของวัสดุ รอยแตกแบบเครือข่ายเกิดขึ้นภายใต้การกระทำของความเค้นดึงสองมิติบนพื้นผิว รอยแตกแบบลอกเกิดขึ้นในชั้นแข็งที่บางมาก ซึ่งอาจเกิดขึ้นเมื่อความเค้นเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและความเค้นดึงที่มากเกินไปกระทำในทิศทางรัศมี

รอยแตกตามแนวยาวเรียกอีกอย่างว่ารอยแตกตามแนวแกน รอยแตกเหล่านี้เกิดขึ้นที่จุดที่มีความเค้นดึงสูงสุดใกล้กับผิวของชิ้นส่วน และมีความลึกระดับหนึ่งเข้าหาศูนย์กลาง โดยทั่วไปทิศทางของรอยแตกจะขนานกับแกน แต่ทิศทางอาจเปลี่ยนแปลงได้เมื่อเกิดการกระจุกตัวของความเค้นในชิ้นส่วน หรือเมื่อมีข้อบกพร่องทางโครงสร้างภายใน

หลังจากชิ้นงานถูกทำให้เย็นตัวอย่างสมบูรณ์แล้ว มักจะเกิดรอยแตกตามยาวขึ้น เนื่องจากมีความเค้นดึงในแนวสัมผัสสูงบนพื้นผิวของชิ้นงานที่ผ่านการทำให้เย็นตัว ยิ่งปริมาณคาร์บอนในเหล็กเพิ่มขึ้น แนวโน้มการเกิดรอยแตกตามยาวก็จะยิ่งมากขึ้น เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมีปริมาตรจำเพาะของมาร์เทนไซต์น้อยและมีความเค้นทางความร้อนสูง จึงมีความเค้นอัดตกค้างบนพื้นผิวสูง ทำให้ไม่สามารถทำให้เย็นตัวได้ง่าย เมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น ความเค้นอัดบนพื้นผิวจะลดลง และความเค้นในโครงสร้างจะเพิ่มขึ้น ในขณะเดียวกัน ความเค้นดึงสูงสุดจะเคลื่อนไปทางชั้นผิว ดังนั้น เหล็กกล้าคาร์บอนสูงจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกตามยาวเมื่อได้รับความร้อนสูงเกินไป

ขนาดของชิ้นส่วนส่งผลโดยตรงต่อขนาดและการกระจายตัวของความเค้นตกค้าง และแนวโน้มการแตกร้าวจากการชุบแข็งก็แตกต่างกันด้วย รอยแตกตามยาวก็เกิดขึ้นได้ง่ายจากการชุบแข็งภายในช่วงขนาดหน้าตัดที่เป็นอันตราย นอกจากนี้ การอุดตันของวัตถุดิบเหล็กมักทำให้เกิดรอยแตกตามยาว เนื่องจากชิ้นส่วนเหล็กส่วนใหญ่ผลิตโดยการรีด สิ่งเจือปนที่ไม่ใช่ทองคำ คาร์ไบด์ ฯลฯ ในเหล็กจะกระจายตัวไปตามทิศทางการเสียรูป ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ตัวอย่างเช่น หากเหล็กกล้าเครื่องมือมีโครงสร้างคล้ายแถบ ความแข็งแรงในการแตกหักตามขวางหลังจากชุบแข็งจะน้อยกว่าความแข็งแรงในการแตกหักตามยาว 30% ถึง 50% หากมีปัจจัยเช่นสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่ทองคำในเหล็กที่ทำให้เกิดการกระจุกตัวของความเค้น แม้ว่าความเค้นสัมผัสจะมากกว่าความเค้นตามแนวแกน รอยแตกตามยาวก็เกิดขึ้นได้ง่ายภายใต้สภาวะความเค้นต่ำ ด้วยเหตุนี้ การควบคุมระดับของสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะและน้ำตาลในเหล็กอย่างเข้มงวดจึงเป็นปัจจัยสำคัญในการป้องกันการแตกร้าวจากการชุบแข็ง

ลักษณะการกระจายความเค้นภายในของรอยแตกตามขวางและรอยแตกโค้งมีดังนี้: พื้นผิวจะอยู่ภายใต้ความเค้นอัด หลังจากเลยพื้นผิวไปในระยะหนึ่ง ความเค้นอัดจะเปลี่ยนเป็นความเค้นดึงขนาดใหญ่ รอยแตกจะเกิดขึ้นในบริเวณที่มีความเค้นดึง จากนั้นเมื่อความเค้นภายในแพร่กระจายไปยังพื้นผิวของชิ้นส่วน รอยแตกจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีการกระจายตัวใหม่หรือความเปราะของเหล็กเพิ่มขึ้นเท่านั้น

รอยแตกตามขวางมักเกิดขึ้นในชิ้นส่วนเพลาขนาดใหญ่ เช่น ลูกกลิ้ง ใบพัดกังหัน หรือชิ้นส่วนเพลาอื่นๆ ลักษณะของรอยแตกคือจะตั้งฉากกับทิศทางแกนและแตกจากด้านในออกไปด้านนอก มักเกิดขึ้นก่อนการชุบแข็งและเกิดจากความเค้นจากความร้อน ชิ้นงานตีขึ้นรูปขนาดใหญ่มักมีข้อบกพร่องทางโลหะวิทยา เช่น รูพรุน สิ่งเจือปน รอยแตกจากการตีขึ้นรูป และจุดขาว ข้อบกพร่องเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นจุดเริ่มต้นของการแตกหักและแตกภายใต้แรงดึงตามแนวแกน รอยแตกโค้งเกิดจากความเค้นจากความร้อนและมักกระจายตัวเป็นรูปโค้งในส่วนที่รูปร่างของชิ้นส่วนเปลี่ยนไป ส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นภายในชิ้นงานหรือใกล้ขอบคม ร่อง และรู และกระจายตัวเป็นรูปโค้ง เมื่อชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนสูงที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางหรือความหนา 80 ถึง 100 มม. ขึ้นไปไม่ได้ผ่านการชุบแข็ง ผิวจะแสดงความเค้นอัดและส่วนกลางจะแสดงความเค้นดึง ความเค้นดึงสูงสุดเกิดขึ้นในบริเวณรอยต่อระหว่างชั้นที่แข็งตัวกับชั้นที่ไม่แข็งตัว และรอยแตกแบบโค้งจะเกิดขึ้นในบริเวณเหล่านี้ นอกจากนี้ อัตราการเย็นตัวที่ขอบและมุมที่คมจะเร็วและเกิดการชุบแข็งทั้งหมด เมื่อเปลี่ยนไปสู่ส่วนที่เรียบเนียนกว่า นั่นคือบริเวณที่ไม่แข็งตัว บริเวณที่มีความเค้นดึงสูงสุดจะปรากฏขึ้นที่นี่ ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกแบบโค้ง อัตราการเย็นตัวใกล้กับรูหมุด ร่อง หรือรูตรงกลางของชิ้นงานจะช้า ชั้นที่แข็งตัวที่เกี่ยวข้องจะบาง และความเค้นดึงใกล้กับบริเวณรอยต่อที่แข็งตัวสามารถทำให้เกิดรอยแตกแบบโค้งได้ง่าย

รอยแตกแบบตาข่าย หรือที่เรียกว่ารอยแตกบนพื้นผิว เป็นรอยแตกที่ปรากฏอยู่บนพื้นผิว โดยทั่วไปมีความลึกตื้นประมาณ 0.01~1.5 มม. ลักษณะสำคัญของรอยแตกชนิดนี้คือ ทิศทางของรอยแตกที่เกิดขึ้นนั้นไม่เกี่ยวข้องกับรูปทรงของชิ้นส่วน รอยแตกจำนวนมากเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่ายและกระจายตัวอย่างกว้างขวาง เมื่อความลึกของรอยแตกมากขึ้น เช่น มากกว่า 1 มม. ลักษณะของเครือข่ายจะหายไปและกลายเป็นรอยแตกที่มีทิศทางแบบสุ่มหรือกระจายตัวตามแนวยาว รอยแตกแบบเครือข่ายมีความเกี่ยวข้องกับสภาวะความเค้นดึงสองมิติบนพื้นผิว

ชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนสูงหรือเหล็กกล้าคาร์บูไรซ์ที่มีชั้นดีคาร์บูไรซ์บนผิวมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกเป็นเครือข่ายระหว่างการชุบแข็ง เนื่องจากชั้นผิวมีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าและปริมาตรจำเพาะน้อยกว่าชั้นมาร์เทนไซต์ด้านใน ในระหว่างการชุบแข็ง ชั้นผิวของคาร์ไบด์จะได้รับแรงดึง ชิ้นส่วนที่ชั้นดีฟอสฟอรัสยังไม่ถูกกำจัดออกไปอย่างสมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการทางกลก็จะเกิดรอยแตกเป็นเครือข่ายระหว่างการชุบแข็งผิวด้วยความถี่สูงหรือเปลวไฟเช่นกัน เพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกดังกล่าว คุณภาพผิวของชิ้นส่วนควรได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด และควรป้องกันการเชื่อมออกซิเดชันในระหว่างการอบชุบความร้อน นอกจากนี้ หลังจากใช้แม่พิมพ์ขึ้นรูปเป็นระยะเวลาหนึ่ง รอยแตกจากความล้าทางความร้อนที่ปรากฏเป็นแถบหรือเครือข่ายในโพรง และรอยแตกในกระบวนการเจียรของชิ้นส่วนที่ผ่านการชุบแข็ง ล้วนอยู่ในรูปแบบนี้

รอยแตกแบบลอกเกิดขึ้นในบริเวณที่แคบมากของชั้นผิว แรงอัดกระทำในทิศทางตามแนวแกนและแนวสัมผัส และแรงดึงเกิดขึ้นในทิศทางรัศมี รอยแตกจะขนานกับพื้นผิวของชิ้นส่วน การลอกของชั้นแข็งหลังจากชิ้นส่วนที่ผ่านการชุบแข็งและอบชุบคาร์บอนเย็นตัวลงนั้นจัดเป็นรอยแตกประเภทนี้ การเกิดขึ้นของรอยแตกนี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างที่ไม่สม่ำเสมอในชั้นแข็ง ตัวอย่างเช่น หลังจากเหล็กกล้าผสมอบชุบคาร์บอนเย็นตัวลงด้วยความเร็วระดับหนึ่ง โครงสร้างในชั้นอบชุบคาร์บอนจะเป็นดังนี้: ชั้นนอกสุดเป็นเพิร์ลไลต์ละเอียดมาก + คาร์ไบด์ ชั้นกลางเป็นมาร์เทนไซต์ + ออสเทนไนต์ที่เหลืออยู่ และชั้นในสุดเป็นโครงสร้างเพิร์ลไลต์ละเอียดหรือเพิร์ลไลต์ละเอียดมาก เนื่องจากปริมาตรจำเพาะของการก่อตัวของมาร์เทนไซต์ชั้นย่อยมีขนาดใหญ่ที่สุด ผลของการขยายตัวของปริมาตรจึงทำให้เกิดแรงอัดกระทำต่อชั้นผิวในทิศทางตามแนวแกนและแนวสัมผัส และเกิดแรงดึงในทิศทางรัศมี ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของแรงไปภายใน เปลี่ยนไปเป็นสภาวะแรงอัด และเกิดรอยแตกแบบลอกในบริเวณที่บางมากซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงของแรงอย่างรวดเร็ว โดยทั่วไป รอยแตกจะซ่อนอยู่ภายในขนานกับพื้นผิว และในกรณีที่รุนแรงอาจทำให้พื้นผิวลอกได้ หากเร่งหรือลดอัตราการเย็นตัวของชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์ โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่สม่ำเสมอหรือโครงสร้างเพิร์ลไลต์ละเอียดพิเศษสามารถเกิดขึ้นได้ในชั้นคาร์บูไรซ์ ซึ่งสามารถป้องกันการเกิดรอยแตกดังกล่าวได้ นอกจากนี้ ในระหว่างการชุบแข็งพื้นผิวด้วยความถี่สูงหรือเปลวไฟ พื้นผิวมักจะร้อนเกินไป และความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างตามแนวชั้นที่แข็งตัวสามารถทำให้เกิดรอยแตกบนพื้นผิวได้ง่าย

รอยแตกขนาดเล็กแตกต่างจากรอยแตกทั้งสี่ประเภทที่กล่าวมาข้างต้นตรงที่เกิดจากความเค้นระดับจุลภาค รอยแตกตามขอบเกรนที่ปรากฏขึ้นหลังจากการชุบแข็ง การให้ความร้อนสูงเกินไป และการเจียรเหล็กกล้าเครื่องมือคาร์บอนสูงหรือชิ้นงานที่ผ่านกระบวนการคาร์บูไรซ์ รวมถึงรอยแตกที่เกิดจากการอบคืนตัวชิ้นส่วนที่ผ่านการชุบแข็งไม่ทันเวลา ล้วนเกี่ยวข้องกับการมีอยู่และการขยายตัวของรอยแตกขนาดเล็กในเหล็กกล้า

รอยแตกขนาดเล็กต้องได้รับการตรวจสอบภายใต้กล้องจุลทรรศน์ โดยปกติแล้วรอยแตกเหล่านี้จะเกิดขึ้นที่ขอบเกรนออสเทนไนต์ดั้งเดิมหรือที่จุดเชื่อมต่อของแผ่นมาร์เทนไซต์ บางรอยแตกอาจทะลุผ่านแผ่นมาร์เทนไซต์ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่ารอยแตกขนาดเล็กพบได้บ่อยในมาร์เทนไซต์แบบแผ่นแฝด สาเหตุเป็นเพราะมาร์เทนไซต์แบบแผ่นแฝดชนกันเองเมื่อเติบโตด้วยความเร็วสูงและก่อให้เกิดความเค้นสูง อย่างไรก็ตาม มาร์เทนไซต์แบบแผ่นแฝดนั้นเปราะและไม่สามารถเกิดการเสียรูปพลาสติกเพื่อลดความเค้นได้ จึงทำให้เกิดรอยแตกขนาดเล็กได้ง่าย เกรนออสเทนไนต์มีขนาดใหญ่และความเสี่ยงต่อการเกิดรอยแตกขนาดเล็กก็เพิ่มขึ้น การมีรอยแตกขนาดเล็กในเหล็กจะลดความแข็งแรงและความยืดหยุ่นของชิ้นส่วนที่ผ่านการชุบแข็งลงอย่างมาก นำไปสู่ความเสียหาย (การแตกหัก) ก่อนกำหนดของชิ้นส่วน

เพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกขนาดเล็กในชิ้นส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนสูง สามารถใช้วิธีการต่างๆ เช่น การลดอุณหภูมิการชุบแข็ง การสร้างโครงสร้างมาร์เทนไซต์ละเอียด และการลดปริมาณคาร์บอนในมาร์เทนไซต์ นอกจากนี้ การอบคืนตัวหลังการชุบแข็งอย่างทันท่วงทีเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดความเค้นภายใน การทดสอบพิสูจน์แล้วว่าหลังจากอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 200°C อย่างเพียงพอ คาร์ไบด์ที่ตกตะกอนบริเวณรอยแตกจะมีผลในการ "เชื่อม" รอยแตก ซึ่งสามารถลดอันตรายจากรอยแตกขนาดเล็กได้อย่างมีนัยสำคัญ

ข้างต้นเป็นการอธิบายถึงสาเหตุและวิธีการป้องกันรอยแตกโดยพิจารณาจากรูปแบบการกระจายตัวของรอยแตก ในการผลิตจริง การกระจายตัวของรอยแตกจะแตกต่างกันไปเนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น คุณภาพเหล็ก รูปทรงของชิ้นส่วน และเทคโนโลยีการแปรรูปด้วยความร้อนและความเย็น บางครั้งรอยแตกอาจมีอยู่แล้วก่อนการอบชุบและขยายตัวมากขึ้นในระหว่างกระบวนการชุบแข็ง บางครั้งอาจมีรอยแตกหลายรูปแบบปรากฏขึ้นในชิ้นส่วนเดียวกันในเวลาเดียวกัน ในกรณีนี้ ควรใช้การวิเคราะห์แบบองค์รวมโดยพิจารณาจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาของรอยแตก การวิเคราะห์พื้นผิวการแตกหักด้วยตาเปล่า การตรวจสอบทางโลหะวิทยา และเมื่อจำเป็น การวิเคราะห์ทางเคมี และวิธีการอื่นๆ เพื่อทำการวิเคราะห์อย่างครอบคลุมตั้งแต่คุณภาพวัสดุ โครงสร้าง ไปจนถึงสาเหตุของความเค้นจากการอบชุบ เพื่อหาสาเหตุหลักของรอยแตก จากนั้นจึงกำหนดมาตรการป้องกันที่มีประสิทธิภาพ

การวิเคราะห์รอยแตกเป็นวิธีการสำคัญในการวิเคราะห์สาเหตุของการเกิดรอยแตก รอยแตกทุกชนิดย่อมมีจุดเริ่มต้นของรอยแตก รอยแตกที่เกิดจากการชุบแข็งมักเริ่มต้นจากจุดบรรจบของรอยแตกในแนวรัศมี

หากต้นกำเนิดของรอยแตกอยู่บนพื้นผิวของชิ้นส่วน แสดงว่ารอยแตกนั้นเกิดจากความเค้นดึงที่มากเกินไปบนพื้นผิว หากไม่มีข้อบกพร่องทางโครงสร้าง เช่น สิ่งเจือปนบนพื้นผิว แต่มีปัจจัยที่ทำให้เกิดความเค้นกระจุกตัว เช่น รอยมีดที่รุนแรง คราบออกไซด์ มุมแหลมของชิ้นส่วนเหล็ก หรือชิ้นส่วนที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง ก็อาจทำให้เกิดรอยแตกได้

หากต้นกำเนิดของรอยแตกอยู่ภายในชิ้นส่วน แสดงว่าเกี่ยวข้องกับข้อบกพร่องของวัสดุหรือความเค้นดึงตกค้างภายในที่มากเกินไป พื้นผิวการแตกหักของการชุบแข็งแบบปกติจะมีสีเทาและละเอียดเหมือนกระเบื้องเคลือบ หากพื้นผิวการแตกหักมีสีเทาเข้มและหยาบ แสดงว่าเกิดจากความร้อนสูงเกินไปหรือเนื้อเยื่อเดิมหนาเกินไป

โดยทั่วไปแล้ว บริเวณรอยแตกจากการชุบแข็งไม่ควรมีสีออกซิเดชัน และไม่ควรมีการลดลงของคาร์บอนรอบๆ รอยแตก หากมีการลดลงของคาร์บอนรอบๆ รอยแตกหรือมีสีออกซิเดชันบนบริเวณรอยแตก แสดงว่าชิ้นส่วนนั้นมีรอยแตกอยู่แล้วก่อนการชุบแข็ง และรอยแตกเดิมจะขยายตัวภายใต้แรงเค้นจากการอบชุบ หากพบคาร์ไบด์ที่แยกตัวและสิ่งเจือปนอยู่ใกล้รอยแตกของชิ้นส่วน แสดงว่ารอยแตกนั้นเกี่ยวข้องกับการแยกตัวของคาร์ไบด์อย่างรุนแรงในวัตถุดิบหรือการมีอยู่ของสิ่งเจือปน หากรอยแตกปรากฏเฉพาะที่มุมแหลมหรือส่วนที่เปลี่ยนรูปของชิ้นส่วนโดยไม่มีปรากฏการณ์ข้างต้น แสดงว่ารอยแตกเกิดจากการออกแบบโครงสร้างที่ไม่เหมาะสมของชิ้นส่วนหรือมาตรการป้องกันรอยแตกที่ไม่เหมาะสม หรือแรงเค้นจากการอบชุบที่มากเกินไป

นอกจากนี้ รอยแตกในชิ้นส่วนที่ผ่านการอบชุบทางเคมีและการชุบแข็งผิวหน้าส่วนใหญ่มักปรากฏใกล้กับชั้นที่แข็งตัว การปรับปรุงโครงสร้างของชั้นที่แข็งตัวและการลดความเค้นจากการอบชุบเป็นวิธีสำคัญในการหลีกเลี่ยงรอยแตกที่ผิวหน้า