張 杰

（深圳市特種設備安全檢驗研究院）

0 前言

脫碳是鋼鐵材料常見的一種熱處理缺陷。在熱處理過程中，倘若加熱溫度過高，亦或者在高溫下停留時間較長，鋼鐵材料表面往往會發(fā)生脫碳。鋼鐵材料表面脫碳程度可以用脫碳層深度進行表征。2019年5月，國家市場監(jiān)督管理總局與中國國家標準化管理委員會共同發(fā)布了GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定方法》，代替了GB/T 224—2008《鋼的脫碳層深度測定方法》。新標準在舊標準的基礎上增加了多種脫碳層深度測定方法，為了引導企業(yè)技術人員能夠更好理解新標準中的技術內容，并對新標準中的多種脫碳層深度測定方法有個全面的認知，筆者對《鋼的脫碳層深度測定方法》最新標準進行了解讀。

1 新、舊標準差異

新標準與舊標準之間的主要差異：刪除內容3項，修改內容1項，增加內容5項[1-2]。

1.1 刪除內容

GB/T 224—2019中刪除了舊標準中的術語——“鐵素體脫碳層深度”及其定義，刪除了舊標準中的“洛氏硬度測量法”及“硬度值換算”。

1.2 修改內容

GB/T 224—2019中將“取樣”單獨列為一個章節(jié)。將舊標準中的“測定方法”的“總則”中與“取樣”有關的內容及“金相法”中與“取樣”有關的內容、“化學分析法”中與“取樣”有關的內容、“光譜分析法”中與“取樣”有關的內容均列入到新標準中 “取樣”這一章節(jié)。 “取樣”內容的合并，便于讀者直觀理解不同脫碳層深度測定方法對取樣要求的差異。

1.3 增加項目

GB/T 224—2019新增加內容5項，具體內容見表1。新增加的內容大部分為脫碳層深度的測定方法，結合未刪減的測定方法，目前脫碳層深度測定方法有3大類，共計7種方法，具體見表2。其中金相法、顯微硬度法屬于間接測定法；碳含量測定法為直接測定法。

2 金相法

2.1 金相法原理

金相法也可稱為顯微鏡組織法。該方法利用光學顯微鏡觀察試樣從表面到基體隨碳含量的變化而產生的組織變化。通常情況下，觀測到的組織的差別，在亞共析鋼中是以鐵素體與其他組織組成物的相對量的變化來區(qū)別的；在過共析鋼中是以碳化物含量相對基體的減少來區(qū)分的。對于硬化組織或者淬火回火組織，當碳含量變化引起組織顯著變化時，同樣可用該方法進行測量。

表1 GB/T 224—2019中新增內容

表2 脫碳層深度測定方法

2.2 金相法適用范圍

金相法適用于具有退火或正火（鐵素體—珠光體）組織的鋼鐵材料，也可有條件的用于那些硬化、回火、軋制或鍛造狀態(tài)的鋼鐵制品。

2.3 金相法試樣制備及要求

截取尺寸合適的試樣；必要時，需進行鑲嵌，或者直接依次進行研磨、拋光；最后用1.5%～4%的硝酸酒精溶液對試樣進行侵蝕，以便顯示鋼材的金相組織[3]。在制樣的過程中，試樣邊緣不許存在倒圓，卷邊。

2.4 金相法測定步驟

金相法脫碳層深度測定即借助光學顯微鏡目鏡，或者利用金相圖像分析系統(tǒng)觀察和定量測量從試樣表面到其組織與基體組織已無明顯區(qū)別的那一點的距離。脫碳層具體的測量方法有最嚴重視場法和平均法。最嚴重視場法是對每一個試樣，在最深的均勻脫碳區(qū)的一個顯微鏡視場內，隨機進行幾次測量（至少五次），以這些測量值的平均值作為脫碳層深度。平均法是首先在最深均勻脫碳區(qū)測量第一點，然后從這點開始表面被等分成若干部分，如無特殊規(guī)定，至少四等份，在每一部分的結束位置測量最深處的脫碳層深度，以這些測量值（至少四個）的平均值作為試樣的脫碳層深度。其中，軸承鋼、工具鋼、彈簧鋼等對脫碳要求較高的鋼種適用最嚴重視場法進行測定，不適用平均法進行測定。觀察組織時，通常采用的放大倍數(shù)為100倍。

2.5 金相法特點

金相法具有適用范圍廣泛、設備投資小、制樣簡單、操作流程簡潔等優(yōu)點。但該方法對操作人員的專業(yè)素質要求較高，專業(yè)水平不高的操作人員作出的測定結果往往與真實結果之間會存在較大的差異。

3 顯微硬度法

3.1 顯微硬度法原理

本方法利用硬度計測量在試樣橫截面上沿垂直于表面方向上的顯微硬度值的分布梯度，根據(jù)硬度的壓頭的種類，可選擇維氏硬度法或者努氏硬度法。

3.2 顯微硬度法適用范圍

顯微硬度法適用于脫碳層相當深，經過硬化處理、回火處理或熱處理的亞共析鋼。同時也可用于脫碳層完全在硬化區(qū)內的情況，避免淬火不完全引起的硬度波動。但本方法不適用于低碳鋼。

3.3 顯微硬度法試樣制備及要求

截取尺寸合適的試樣；必要時，需先進行鑲嵌，否則直接依次進行研磨、拋光。試樣是否需要腐蝕視具體情況而定，但在制樣的過程中，需防止試樣過熱，以免影響硬度的真實測量結果。

3.4 顯微硬度法測定步驟

當使用維氏硬度測量法時，具體操作步驟可以依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[4]進行。當使用努氏硬度測量法時，具體操作步驟可依據(jù)GB/T 18449.1—2009《金屬材料 努氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》[5]進行。在實際操作過程中可以通過直線法（垂直于表面方向上）或者斜線法（傾斜于表面方向上）去測量試樣橫截面上的顯微硬度值的分布梯度。其中，直線法適合測量大或者中等厚度的脫碳層，斜線法適合測量中等或者小厚度的脫碳層。脫碳層深度規(guī)定為從表面到已到達所要求硬度值的那一點的距離。通常情況下，至少要在相互距離盡量遠的位置進行四組測定，其測定值的平均值作為脫碳層深度。為減少測量數(shù)據(jù)的分散性，需盡可能使用大載荷，通常采用0.49～4.9 N（50～200 gf）載荷。各壓痕中心之間的距離應不超過0.1 mm，同時至少應為對角線長度的2.5倍。

3.5 顯微硬度法特點

顯微硬度法具有設備投資小、制樣簡單、操作流程簡潔等優(yōu)點。但該方法卻存在適用范圍比較小的缺點，主要應用在亞共析鋼。

4 碳含量測定法

4.1 碳含量測定法原理

本方法利用儀器設備測定含量在垂直于試樣表面方向上的分布梯度。具體測量方法有化學分析法、直讀光譜分析法、電子探針分析法、輝光光譜分析法。

4.2 碳含量測定法適用范圍

化學分析法適用于具有恰當?shù)膸缀涡螤畹脑嚇?，但不適用于部分脫碳情況的測量。直讀光譜分析法只適用于具有滿足直讀光譜儀要求的平面試樣。電子探針分析法適用于含有單一組織的淬回火鋼和球化退火鋼。輝光光譜法適用于脫碳層深度不超過10 μm，直徑在20～100 mm的圓形試樣或者邊長在20～100 mm的方形試樣，且試樣的平面尺寸需滿足輝光光譜儀的要求。

4.3 碳含量測定法試樣制備及要求

化學分析法與直讀光譜分析法均要求使用機械加工的方法，平行于試樣表面逐層剝取每層為0.1mm的樣削，但在制樣前，需清除表面氧化膜。電子探針分析法的試樣制備與金相法的試樣制備相同，但無需腐蝕。輝光光譜分析法制樣需去除試樣表面的油漬或者其他殘留物。

4.4 碳含量測定法測定步驟

碳含量測定法主要是測定從試樣表面一直到基體穩(wěn)定處的碳含量的深度曲線。當采用化學分析法測定脫碳層的深度時，可按照GB/T 20126—2006《非合金鋼 低碳含量的測定 第2部分：感應爐（經預加熱）內燃燒后紅外吸收法》[6]進行。當采用直讀光譜分析法測定脫碳層的深度時，可按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》[7]進行。當采用電子探針分析法測定脫碳層的深度時，可按照GB/T 15247—2008《微束分析 電子探針顯微分析 測定鋼中碳含量的校正曲線法》[8]進行。當采用輝光光譜分析法測定脫碳層的深度時，可按照GB/T 22368—2008《低合金鋼 多元素含量的測定 輝光放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》[9]進行。

4.5 碳含量測定法特點

由于碳含量測定法包括化分析法、直讀光譜分析法、電子探針分析法、輝光光譜分析法等多種測量方法，因此具有適用范圍廣的優(yōu)點。但該方法的缺點比較多，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：首先，設備投資較大，其中單針對電子探針設備可能就得花費幾百萬；第二，制樣要求較高，例如化分析法、直讀光譜分析法中需在樣品表面逐層剝去0.1 mm樣削。

5 結束語

以GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定方法》中的主要技術內容為基礎，通過新舊標準的對比解讀，以及從多個角度對比分析多種脫碳層深度測定法異同點，希望可為鋼材制造企業(yè)提供參考及借鑒。