脫碳層深度都有哪些測試方法？

脫碳是鋼材的一種熱處理缺陷，鋼制件表面的脫碳會降低鋼的淬火硬度和耐磨性，而脫碳后任何熱處理狀態(tài)的鋼，其疲勞強(qiáng)度都會降低，除影響制件的力學(xué)疲勞性能外，近年來一些研究成果表明脫碳層的存在還影響制件的熱疲勞性能，如石楠楠等人開展的表面脫碳層對H13鋼熱疲勞性能的研究就得到了脫碳造成材料表層碳含量的減少進(jìn)而導(dǎo)致鋼的熱疲勞強(qiáng)度下降的結(jié)論，因此，受循環(huán)載荷的鋼制零件或裝備都應(yīng)盡量防止脫碳。脫碳層深度可直接用來表征材料制件表面脫碳的程度，因此對鋼及其制件表面脫碳層深度的測量一直是檢測人員及質(zhì)量控制人員關(guān)注的重點。

目前，常用的脫碳層深度測定方法主要有顯微組織法、硬度法、碳含量測定法3種，由于鋼的脫碳關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和壽命，所以各國均很重視相關(guān)檢測方法的研究和檢測標(biāo)準(zhǔn)的制定，較為常見的脫碳層測定標(biāo)準(zhǔn)及其所規(guī)定的測試方法歸納如表1所示。

表1 常見脫碳層測定標(biāo)準(zhǔn)及其所規(guī)定的測試方法

1、顯微組織法

顯微組織法通常又稱為金相法、顯微測定法等。材料及其制件存在脫碳情況時，從表面到基體的碳含量是變化的，因而其組織也隨之變化。顯微組織法正是利用該原理建立的，其觀察對象為微觀組織，觀察手段為光學(xué)顯微鏡。在實際操作中，將待測試樣的切斷面經(jīng)過磨制、拋光、侵蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察從表面到基體的組織變化，脫碳層測定界限為出現(xiàn)預(yù)期的組織變化處，如總脫碳層深度為與基體組織一致處，借助于測微目鏡或金相圖像分析系統(tǒng)測量其深度。

顯微組織法就同一脫碳層來說適用于測定材料或其制件完全脫碳層的深度及總脫碳層的深度;就所檢測的熱處理狀態(tài)來說主要適用于正火及退火狀態(tài);就可檢測的制件來說適用于鑄造件、鍛造件或軋制件。對于一些難測的鋼種可參照特殊金相法解決，如在退火態(tài)下初生碳化物和二次碳化物等顆粒大小無明顯差異的高速工具鋼可參照гост 1763-68中的M2法(即ВД САД ОВСКИЙ法)或ASTM E1077-2001(2005)中所規(guī)定的J R POWELL法;對于奧氏體高錳鋼可參照ASTM E1077-2001(2005)中的A J SEDRIKS法;對于過共析鋼，針對所析出的碳化物，гост 1763-68中的M1法規(guī)定了網(wǎng)狀碳化物的專用著色劑。

顯微組織法具有適用范圍廣、操作簡便、對設(shè)備依賴小、對待檢試樣形態(tài)要求不高等優(yōu)點。但該方法對操作人員的素質(zhì)要求較高，不同水平的操作人員對組織出現(xiàn)變化時的界限判定往往并不一定能得到一致的結(jié)果。另一方面，因為顯微組織法適于觀察并測量脫碳層從表面到基體之間出現(xiàn)較明顯組織變化時的深度，而對出現(xiàn)部分脫碳的某一特定深度無法準(zhǔn)確判定并測量;尤其對于球化退火態(tài)過共析鋼如不依賴定量金相技術(shù)，單純依靠測試人員判定則準(zhǔn)確性不高。

2、硬度法

硬度法是利用碳含量與熱處理后鋼的硬度存在相關(guān)性的原理來測定脫碳層深度的方法。其理論依據(jù)是淬火鋼的基體組織馬氏體的硬度隨碳含量的增加而增高，而從鋼件表面至基體因脫碳造成了碳元素的不同程度損失，不同脫碳程度區(qū)域其硬度值也不同。硬度法所測試的物理量為硬度值。主要測試手段為硬度計。硬度法主要分為用于篩選試驗的表面硬度法和用于脫碳層深度測量的顯微硬度法。在實際操作中，表面硬度法為在試樣表面打硬度并與規(guī)范值比較而判定是否存在脫碳層或脫碳層是否符合要求;顯微硬度法為將待測試樣的切斷面磨制、拋光后，視具體情況需要選擇是否腐蝕，采用顯微硬度計從脫碳邊緣向基體打硬度，界限為硬度平穩(wěn)處或硬度達(dá)到規(guī)定值處，然后測量其對應(yīng)深度。

值得注意的是，GB/T 224-2008中規(guī)定因淬不上火所以顯微硬度法對低碳鋼測試不準(zhǔn)確，適用于“脫碳層相當(dāng)深但和淬火區(qū)厚度相比卻又很小的亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼”，但因淬火馬氏體的碳含量約增至0.6%～0.7%后其硬度幾乎不再隨之增高等原因，所以該方法的應(yīng)用范圍應(yīng)盡量限制于亞共析鋼。

3、碳含量測定法

碳含量測定法是通過測定試樣不同層深處的碳含量來測定脫碳層深度的方法，是一種直接測量的方法。其測試對象為試樣表面不同層或從試樣的不同層采集的金屬屑，根據(jù)測試對象的不同主要分為兩種測試方法，測定試樣不同層表面碳含量的方法一般采取光譜分析法，采用銑切或磨削的方式將試樣加工至規(guī)定層深處;測定從試樣不同層采集的金屬屑來確定該層深處碳含量的方法一般采取化學(xué)分析法，采用銑切或鉆取的方式來獲得測試所需的金屬屑。在實際操作中將從不同層深處所測定的碳含量繪制成碳含量-深度曲線，從曲線上判定其不同深度處的脫碳情況。

碳含量測定法的特點在于其適用于各種鋼種，而不必考慮具體的組織及熱處理狀態(tài)，測試原理簡單明了。但該方法的不足之處也同樣明顯，首先該方法要求試樣具有規(guī)則的形狀以便于加工及檢測，如光譜分析就要求試樣為平面形式;其次，該方法的操作過程較復(fù)雜，且測定結(jié)果是整個檢驗面的平均碳含量，對軸承鋼等要求檢測其脫碳最深處的碳含量來說是不適用的;再次，試樣加工中切削、磨削或鉆取的深度的精確度受試樣幾何形狀的影響及加工設(shè)備精度的影響較大，所以其測定結(jié)果的代表性和可靠性較低。因此，該方法主要應(yīng)用于科研領(lǐng)域。

4、熱電動勢法

熱電動勢法測脫碳層是基于Seebeck效應(yīng)和Thomson效應(yīng)而發(fā)展起來的一種快速測定方法。其測量原理為：當(dāng)兩種不同導(dǎo)體構(gòu)成回路時，若兩接觸面溫度不等，則該回路中將因溫差產(chǎn)生熱電動勢，而熱電動勢的大小取決于兩接觸面溫度差值及該兩種導(dǎo)體的屬性。在實際應(yīng)用中，往往將其中一種確定的金屬制作為電極，另一種被測導(dǎo)體夾持于已知金屬電極之間，并加熱該被測導(dǎo)體與電極連接處之一端至固定溫度，則此時熱電動勢的大小僅取決于被測試樣的屬性。也就是說，若被測試樣為不同脫碳程度的鋼件，則熱電動勢也將不同，再與已知碳含量的標(biāo)樣的熱電動勢值相比較即可得到待測試樣的碳含量，進(jìn)而推知其脫碳程度。該方法的優(yōu)點是判定便捷迅速，且對試樣的熱處理狀態(tài)及微觀結(jié)構(gòu)不做限制，適于大批量同品種試樣的脫碳測定;其缺點是較為依賴標(biāo)準(zhǔn)試樣和測試儀器。該方法在國內(nèi)應(yīng)用較少，相關(guān)的文獻(xiàn)報道也較為少見，對該方法感興趣的讀者可參閱東北大學(xué)梁連科等人利用熱電動勢法快速測定微碳鉻鐵中硅含量的研究報道。

由上述論述可以看出脫碳層測定方法具有多樣性，在具體開展特定鋼種的脫碳層測定時一定要結(jié)合鋼的種類、熱處理狀態(tài)以及測定目的來選取合適的脫碳層測定方法，最好在選取好測定方法的基礎(chǔ)上結(jié)合實際情況編制專用的測試規(guī)程，以最大程度地貼近實際測試的需要。