说 明 书一种弹簧钢脱碳层深度的无损检测方法
技术领域
本发明涉及一种弹簧钢脱碳层深度的检测方法，属于弹簧钢在热处理过程中脱碳层深度的无损检测方法。
背景技术
通常由弹簧钢制成的弹簧件在热处理后不经过进一步加工就直接使用。这类零件的表层在热处理过程中不可避免地会脱碳软化。所谓脱碳是指弹簧钢在热加工或热处理时，钢材表面在炉内气氛作用下失去了全部或部分碳，造成钢材表面的碳含量比内部减少的现象。
钢铁件表面脱碳对弹簧最终性能有很大的影响。钢铁的表面脱碳将严重损害其疲劳性能，特别是弹簧钢表面出现铁素体可降低疲劳极限50％。而且，随着表面脱碳层深度增加，疲劳寿命也下降。这主要是由于在后道淬火工序中，表面脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度，在交变应力作用下容易产生裂纹，使产品过早疲劳失效。另外，表面层不同部位淬火时膨胀系数不同，引起应力集中，致使全脱碳层与部分脱碳层之间的过度区产生微裂纹，并作为裂纹继续发展的起源，最终引起失效断裂。因此，钢的脱碳状况的研究及检测是非常重要的。
目前钢在热处理过程中脱碳层深度的检测方法中，主要有金相法、硬度法和化学法三种。其中，金相法的理论依据是碳与显微组织的相关性，亦即碳含量地差异可引起显微组织的明显变化，这是正确划分脱碳层深度界限的基础。实际上，碳与显微组织的相关性受到很多因素的影响，由此引起测量误差，从而在很多情况下，脱碳层界限在理论上阐述得十分清楚，但在实际中却难以精
确确定，检验结果有很大的主观随意性。硬度法是利用含碳量与热处理后钢的硬度存在相关性的原理测定脱碳层深度，由于这种相关性只有在一定的含碳量范围内才是显著的，因此，其适用性受到限制。往往硬度已达到技术条件规定，但含碳量仍然偏低。化学法是通过测定表面不同层地含碳量来测定脱碳层深度，操作十分复杂，误差大，不适用于生产检验。
此外，以上三种方法的共同问题是，检验是破坏性的，无法实现100%检测，也无法实现现场检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺陷，提供一种钢的脱碳层深度的无损检测方法，该方法是无破坏性的，可实现100%检测，也可实现现场检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：分别测量弹簧钢件在热处理前后的直径值，利用其直径的差值对弹簧钢件在热处理过程中脱碳层深度进行无损检测。
弹簧钢件的热处理工艺过程通常是淬火（淬火时工件淬透，金相组织不低于90%马氏体）— 回火（淬火后弹簧立刻回火）。热处理后的金相组织在金相显微镜下分析观察可知，一般可分为表层和心部两大部分。其中，心部是碳含量正常的回火屈氏体组织；表层为脱碳层，它又分为全脱碳层和部分脱碳层两部分。全脱碳时组织为纯铁素体，部分脱碳层的组织为铁素体较多的回火屈氏体组织。
弹簧钢件进行淬火、回火处理时，由于有组织变化而引起尺寸变化。淬火生成马氏体时发生膨胀，其中，完全淬火时，即从奥氏体组织全部转化为马氏体组织时零件的尺寸变化（膨胀）最大；回火引起的马氏体的分解，造成尺寸收缩。但是，若以淬火前的状态为基准，经过淬火、回火后的综合尺寸变化最终是膨胀的。这说明淬火生成马氏体时发生的尺寸膨胀，大于回火引起的马氏
体的分解而造成的尺寸收缩。而且马氏体的含碳量越高，最终的尺寸膨胀变化越大。由此可知，表层的脱碳层深度越大，即铁素体的含量越多，相应地马氏体的含量就减少，最终的尺寸膨胀变化越小；反之，表层的脱碳层深度越小，即铁素体的含量越少，相应地马氏体的含量就增多，最终的尺寸膨胀变化越大。亦即弹簧钢件进行淬火、回火处理后的最终尺寸膨胀与脱碳层深度之间存在着一定的关系。
把经过淬火—回火处理的弹簧钢圆柱类工件的横截面简化为两个同心圆，同心圆的内部为回火屈氏体，两同心圆之间为铁素体。由于回火屈氏体、铁素体及珠光体之间比容的差异，工件淬火—回火后其体积将发生变化。
设圆棒状工件半径为r，脱碳层深度为δ，工件经过淬火、回火后直径差为2∆，珠光体的比容为Vp，铁素体的比容为Vt，屈氏体的比容为Vq，淬火、回火
后工件半径为r1（淬火时工件淬透），工件长度为L。忽略工件热处理前后的质量变化，则得出方程：
π(r1-δ)2L
Vq+πr12-(r1-δ)2LVt[]=πr2LVp
简化后得：
VtVqVt2δ-2（r+∇)δ+(r+∇)-r2=0 （1） Vt-VqVp(Vt-Vq)2
由式（1）可知，在其它参数不变的情况下，脱碳层深度不同，工件经过淬火—回火后直径差值也不同，并且有确定的对应关系。这进一步说明，弹簧钢件进行淬火、回火处理后的最终尺寸膨胀与脱碳层深度之间存在着一定的关系。因此，对实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，利用其直径差与脱碳
层深度之间的关系确定出脱碳层深度。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果是：利用本发明，可以在不破坏工件的情况下进行检测，亦即实现对钢的脱碳层深度的无损检测，可实现100%检测，也可实现现场检测。本发明方法简单、方便、快捷。
具体实施方式
分别测量工件在热处理前后的直径值，利用其直径的差值对钢在热处理过程中脱碳层深度进行无损检测。
本发明提出的测量方法，包括以下各步骤：
（1）对于材料相同、直径相同的同一批弹簧钢，制备试样40件，长度均为100㎜。取10件进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4+0.05㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜、重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，利用其直径差与脱碳层深度之间的关系确定出脱碳层深度。
具体应用一
（1） 对材料60Si2Mn、直径为φ20的同一批弹簧钢，制备试样10件，长
度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10
件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记
录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层
深度在0.4±0.025㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后
直径的差值的平均值并记录。
（2） 在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、
0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3） 对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为
0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
具体应用二
（1）对材料60Si2Mn、直径为φ30的同一批弹簧钢，制备试样10件，长度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4±0.025㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
具体应用三
（1）对材料60Si2Mn、直径为φ40的同一批弹簧钢，制备试样10件，长度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4±0.025
㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
具体应用四
（1）对材料60Si2Mn、直径为φ45的同一批弹簧钢，制备试样10件，长度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4±0.025㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
说 明 书一种弹簧钢脱碳层深度的无损检测方法
技术领域
本发明涉及一种弹簧钢脱碳层深度的检测方法，属于弹簧钢在热处理过程中脱碳层深度的无损检测方法。
背景技术
通常由弹簧钢制成的弹簧件在热处理后不经过进一步加工就直接使用。这类零件的表层在热处理过程中不可避免地会脱碳软化。所谓脱碳是指弹簧钢在热加工或热处理时，钢材表面在炉内气氛作用下失去了全部或部分碳，造成钢材表面的碳含量比内部减少的现象。
钢铁件表面脱碳对弹簧最终性能有很大的影响。钢铁的表面脱碳将严重损害其疲劳性能，特别是弹簧钢表面出现铁素体可降低疲劳极限50％。而且，随着表面脱碳层深度增加，疲劳寿命也下降。这主要是由于在后道淬火工序中，表面脱碳层达不到所要求的硬度及力学强度，在交变应力作用下容易产生裂纹，使产品过早疲劳失效。另外，表面层不同部位淬火时膨胀系数不同，引起应力集中，致使全脱碳层与部分脱碳层之间的过度区产生微裂纹，并作为裂纹继续发展的起源，最终引起失效断裂。因此，钢的脱碳状况的研究及检测是非常重要的。
目前钢在热处理过程中脱碳层深度的检测方法中，主要有金相法、硬度法和化学法三种。其中，金相法的理论依据是碳与显微组织的相关性，亦即碳含量地差异可引起显微组织的明显变化，这是正确划分脱碳层深度界限的基础。实际上，碳与显微组织的相关性受到很多因素的影响，由此引起测量误差，从而在很多情况下，脱碳层界限在理论上阐述得十分清楚，但在实际中却难以精
确确定，检验结果有很大的主观随意性。硬度法是利用含碳量与热处理后钢的硬度存在相关性的原理测定脱碳层深度，由于这种相关性只有在一定的含碳量范围内才是显著的，因此，其适用性受到限制。往往硬度已达到技术条件规定，但含碳量仍然偏低。化学法是通过测定表面不同层地含碳量来测定脱碳层深度，操作十分复杂，误差大，不适用于生产检验。
此外，以上三种方法的共同问题是，检验是破坏性的，无法实现100%检测，也无法实现现场检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺陷，提供一种钢的脱碳层深度的无损检测方法，该方法是无破坏性的，可实现100%检测，也可实现现场检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：分别测量弹簧钢件在热处理前后的直径值，利用其直径的差值对弹簧钢件在热处理过程中脱碳层深度进行无损检测。
弹簧钢件的热处理工艺过程通常是淬火（淬火时工件淬透，金相组织不低于90%马氏体）— 回火（淬火后弹簧立刻回火）。热处理后的金相组织在金相显微镜下分析观察可知，一般可分为表层和心部两大部分。其中，心部是碳含量正常的回火屈氏体组织；表层为脱碳层，它又分为全脱碳层和部分脱碳层两部分。全脱碳时组织为纯铁素体，部分脱碳层的组织为铁素体较多的回火屈氏体组织。
弹簧钢件进行淬火、回火处理时，由于有组织变化而引起尺寸变化。淬火生成马氏体时发生膨胀，其中，完全淬火时，即从奥氏体组织全部转化为马氏体组织时零件的尺寸变化（膨胀）最大；回火引起的马氏体的分解，造成尺寸收缩。但是，若以淬火前的状态为基准，经过淬火、回火后的综合尺寸变化最终是膨胀的。这说明淬火生成马氏体时发生的尺寸膨胀，大于回火引起的马氏
体的分解而造成的尺寸收缩。而且马氏体的含碳量越高，最终的尺寸膨胀变化越大。由此可知，表层的脱碳层深度越大，即铁素体的含量越多，相应地马氏体的含量就减少，最终的尺寸膨胀变化越小；反之，表层的脱碳层深度越小，即铁素体的含量越少，相应地马氏体的含量就增多，最终的尺寸膨胀变化越大。亦即弹簧钢件进行淬火、回火处理后的最终尺寸膨胀与脱碳层深度之间存在着一定的关系。
把经过淬火—回火处理的弹簧钢圆柱类工件的横截面简化为两个同心圆，同心圆的内部为回火屈氏体，两同心圆之间为铁素体。由于回火屈氏体、铁素体及珠光体之间比容的差异，工件淬火—回火后其体积将发生变化。
设圆棒状工件半径为r，脱碳层深度为δ，工件经过淬火、回火后直径差为2∆，珠光体的比容为Vp，铁素体的比容为Vt，屈氏体的比容为Vq，淬火、回火
后工件半径为r1（淬火时工件淬透），工件长度为L。忽略工件热处理前后的质量变化，则得出方程：
π(r1-δ)2L
Vq+πr12-(r1-δ)2LVt[]=πr2LVp
简化后得：
VtVqVt2δ-2（r+∇)δ+(r+∇)-r2=0 （1） Vt-VqVp(Vt-Vq)2
由式（1）可知，在其它参数不变的情况下，脱碳层深度不同，工件经过淬火—回火后直径差值也不同，并且有确定的对应关系。这进一步说明，弹簧钢件进行淬火、回火处理后的最终尺寸膨胀与脱碳层深度之间存在着一定的关系。因此，对实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，利用其直径差与脱碳
层深度之间的关系确定出脱碳层深度。
本发明和已有技术相比所具有的有益效果是：利用本发明，可以在不破坏工件的情况下进行检测，亦即实现对钢的脱碳层深度的无损检测，可实现100%检测，也可实现现场检测。本发明方法简单、方便、快捷。
具体实施方式
分别测量工件在热处理前后的直径值，利用其直径的差值对钢在热处理过程中脱碳层深度进行无损检测。
本发明提出的测量方法，包括以下各步骤：
（1）对于材料相同、直径相同的同一批弹簧钢，制备试样40件，长度均为100㎜。取10件进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4+0.05㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜、重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，利用其直径差与脱碳层深度之间的关系确定出脱碳层深度。
具体应用一
（1） 对材料60Si2Mn、直径为φ20的同一批弹簧钢，制备试样10件，长
度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10
件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记
录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层
深度在0.4±0.025㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后
直径的差值的平均值并记录。
（2） 在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、
0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3） 对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为
0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
具体应用二
（1）对材料60Si2Mn、直径为φ30的同一批弹簧钢，制备试样10件，长度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4±0.025㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
具体应用三
（1）对材料60Si2Mn、直径为φ40的同一批弹簧钢，制备试样10件，长度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4±0.025
㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。
具体应用四
（1）对材料60Si2Mn、直径为φ45的同一批弹簧钢，制备试样10件，长度均为100㎜。进行淬火（淬火时工件淬透）—回火处理，使这10件脱碳层深度在0.4㎜左右，测量各试样淬火—回火前后直径差并记录。对各试样切检，在金相显微镜下测出脱碳层深度，选取脱碳层深度在0.4±0.025㎜范围内的试样，计算这些试样淬火—回火前后直径的差值的平均值并记录。
（2）在依次取试样各10件，使这些试样的脱碳层深度分别达到 0.6㎜、0.8㎜、1.0㎜。重复上述试验，得到试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系。
（3）对一实际工件淬火—回火前后的直径进行测量，计算其直径差为0.020㎜，由得到的试样脱碳层深度与试样直径差之间的关系，可确定出其脱碳层深度为0.4-0.6㎜之间。