脱碳层深度都有哪些测试方法？

脱碳是钢材的一种热处理缺陷，钢制件表面的脱碳会降低钢的淬火硬度和耐磨性，而脱碳后任何热处理状态的钢，其疲劳强度都会降低，除影响制件的力学疲劳性能外，近年来一些研究成果表明脱碳层的存在还影响制件的热疲劳性能，如石楠楠等人开展的表面脱碳层对H13钢热疲劳性能的研究就得到了脱碳造成材料表层碳含量的减少进而导致钢的热疲劳强度下降的结论，因此，受循环载荷的钢制零件或装备都应尽量防止脱碳。脱碳层深度可直接用来表征材料制件表面脱碳的程度，因此对钢及其制件表面脱碳层深度的测量一直是检测人员及质量控制人员关注的重点。

目前，常用的脱碳层深度测定方法主要有显微组织法、硬度法、碳含量测定法3种，由于钢的脱碳关系到产品的质量和寿命，所以各国均很重视相关检测方法的研究和检测标准的制定，较为常见的脱碳层测定标准及其所规定的测试方法归纳如表1所示。

表1 常见脱碳层测定标准及其所规定的测试方法

1、显微组织法

显微组织法通常又称为金相法、显微测定法等。材料及其制件存在脱碳情况时，从表面到基体的碳含量是变化的，因而其组织也随之变化。显微组织法正是利用该原理建立的，其观察对象为微观组织，观察手段为光学显微镜。在实际操作中，将待测试样的切断面经过磨制、抛光、侵蚀后，在光学显微镜下观察从表面到基体的组织变化，脱碳层测定界限为出现预期的组织变化处，如总脱碳层深度为与基体组织一致处，借助于测微目镜或金相图像分析系统测量其深度。

显微组织法就同一脱碳层来说适用于测定材料或其制件完全脱碳层的深度及总脱碳层的深度;就所检测的热处理状态来说主要适用于正火及退火状态;就可检测的制件来说适用于铸造件、锻造件或轧制件。对于一些难测的钢种可参照特殊金相法解决，如在退火态下初生碳化物和二次碳化物等颗粒大小无明显差异的高速工具钢可参照гост 1763-68中的M2法(即ВД САД ОВСКИЙ法)或ASTM E1077-2001(2005)中所规定的J R POWELL法;对于奥氏体高锰钢可参照ASTM E1077-2001(2005)中的A J SEDRIKS法;对于过共析钢，针对所析出的碳化物，гост 1763-68中的M1法规定了网状碳化物的专用着色剂。

显微组织法具有适用范围广、操作简便、对设备依赖小、对待检试样形态要求不高等优点。但该方法对操作人员的素质要求较高，不同水平的操作人员对组织出现变化时的界限判定往往并不一定能得到一致的结果。另一方面，因为显微组织法适于观察并测量脱碳层从表面到基体之间出现较明显组织变化时的深度，而对出现部分脱碳的某一特定深度无法准确判定并测量;尤其对于球化退火态过共析钢如不依赖定量金相技术，单纯依靠测试人员判定则准确性不高。

2、硬度法

硬度法是利用碳含量与热处理后钢的硬度存在相关性的原理来测定脱碳层深度的方法。其理论依据是淬火钢的基体组织马氏体的硬度随碳含量的增加而增高，而从钢件表面至基体因脱碳造成了碳元素的不同程度损失，不同脱碳程度区域其硬度值也不同。硬度法所测试的物理量为硬度值。主要测试手段为硬度计。硬度法主要分为用于筛选试验的表面硬度法和用于脱碳层深度测量的显微硬度法。在实际操作中，表面硬度法为在试样表面打硬度并与规范值比较而判定是否存在脱碳层或脱碳层是否符合要求;显微硬度法为将待测试样的切断面磨制、抛光后，视具体情况需要选择是否腐蚀，采用显微硬度计从脱碳边缘向基体打硬度，界限为硬度平稳处或硬度达到规定值处，然后测量其对应深度。

值得注意的是，GB/T 224-2008中规定因淬不上火所以显微硬度法对低碳钢测试不准确，适用于“脱碳层相当深但和淬火区厚度相比却又很小的亚共析钢、共析钢和过共析钢”，但因淬火马氏体的碳含量约增至0.6%～0.7%后其硬度几乎不再随之增高等原因，所以该方法的应用范围应尽量限制于亚共析钢。

3、碳含量测定法

碳含量测定法是通过测定试样不同层深处的碳含量来测定脱碳层深度的方法，是一种直接测量的方法。其测试对象为试样表面不同层或从试样的不同层采集的金属屑，根据测试对象的不同主要分为两种测试方法，测定试样不同层表面碳含量的方法一般采取光谱分析法，采用铣切或磨削的方式将试样加工至规定层深处;测定从试样不同层采集的金属屑来确定该层深处碳含量的方法一般采取化学分析法，采用铣切或钻取的方式来获得测试所需的金属屑。在实际操作中将从不同层深处所测定的碳含量绘制成碳含量-深度曲线，从曲线上判定其不同深度处的脱碳情况。

碳含量测定法的特点在于其适用于各种钢种，而不必考虑具体的组织及热处理状态，测试原理简单明了。但该方法的不足之处也同样明显，首先该方法要求试样具有规则的形状以便于加工及检测，如光谱分析就要求试样为平面形式;其次，该方法的操作过程较复杂，且测定结果是整个检验面的平均碳含量，对轴承钢等要求检测其脱碳最深处的碳含量来说是不适用的;再次，试样加工中切削、磨削或钻取的深度的精确度受试样几何形状的影响及加工设备精度的影响较大，所以其测定结果的代表性和可靠性较低。因此，该方法主要应用于科研领域。

4、热电动势法

热电动势法测脱碳层是基于Seebeck效应和Thomson效应而发展起来的一种快速测定方法。其测量原理为：当两种不同导体构成回路时，若两接触面温度不等，则该回路中将因温差产生热电动势，而热电动势的大小取决于两接触面温度差值及该两种导体的属性。在实际应用中，往往将其中一种确定的金属制作为电极，另一种被测导体夹持于已知金属电极之间，并加热该被测导体与电极连接处之一端至固定温度，则此时热电动势的大小仅取决于被测试样的属性。也就是说，若被测试样为不同脱碳程度的钢件，则热电动势也将不同，再与已知碳含量的标样的热电动势值相比较即可得到待测试样的碳含量，进而推知其脱碳程度。该方法的优点是判定便捷迅速，且对试样的热处理状态及微观结构不做限制，适于大批量同品种试样的脱碳测定;其缺点是较为依赖标准试样和测试仪器。该方法在国内应用较少，相关的文献报道也较为少见，对该方法感兴趣的读者可参阅东北大学梁连科等人利用热电动势法快速测定微碳铬铁中硅含量的研究报道。

由上述论述可以看出脱碳层测定方法具有多样性，在具体开展特定钢种的脱碳层测定时一定要结合钢的种类、热处理状态以及测定目的来选取合适的脱碳层测定方法，最好在选取好测定方法的基础上结合实际情况编制专用的测试规程，以最大程度地贴近实际测试的需要。