航空金屬材料平均晶粒尺寸檢測標準研究

陳亞軍，周姝，黃彥

（中國民航大學中歐航空工程師學院，天津300300）

航空金屬材料平均晶粒尺寸檢測標準研究

陳亞軍，周姝，黃彥

（中國民航大學中歐航空工程師學院，天津300300）

為制定更適合我國民航行業的金屬材料平均晶粒尺寸的檢測標準，從標準評級圖、面積法計算公式、斷口晶粒尺寸法以及其他影響平均晶粒尺寸精確度的因素4個方面，比較分析ASTM和GB檢測標準的主要的差異。結果表明：ASTM和GB的標準評級圖相同，但給出的金屬材料適用范圍、放大倍數換算表格不同，導致評級結果精度差異；面積法中，ASTM標準中的圓形法和矩形法分別有Jeffries，Saltykov的研究成果作為支撐，更為科學，而GB使用的測量網格規定和計算公式有待改進；ASTM和GB對于晶粒尺寸等相關概念、檢測方法使用規定等方面的表述和理解存在差異，對平均晶粒尺寸的精度存在影響；斷口晶粒尺寸法為ASTM獨有。在制定我國民航行業的金屬材料平均晶粒尺寸檢測標準時，相比GB/T 6394——2002，ASTM E112——2012標準更加詳細、規范，實用性高，更符合我國民航行業行情。

平均晶粒尺寸檢測；ASTM E112-2012；GB/T 6394-2002；標準

0 引言

美國在航空材料檢測標準及標準體系方面處于世界領先地位。ASTM標準認同度高，不僅得到了波音、空客等大量飛機設計商和制造商的認可，還得到了航空公司、材料生產商以及質量監管部門的廣泛采納和運用，是目前國際民航行業遵循的通用標準[1-3]。我國經過幾十年的發展，初步建立了基本滿足金屬材料檢測要求的標準體系。但是，在我國所使用的金屬材料檢測標準中，幾乎沒有專屬于民航行業的檢測標準。本文針對國內外金屬材料平均晶粒尺寸檢測不統一的問題，對比分析了ASTM和GB檢測標準的主要異同點，希望對建立適合我國民航的金屬材料平均晶粒尺寸檢測標準體系提供參考。

1 ASTM和GB檢測標準對比研究

本研究主要比較分析了美國宇航材料標準（ASTM）中的ASTM E112——2012[4]標準以及中國國家標準（GB）中的GB/T 6394——2002《金屬平均晶粒度檢測標準》[5]。

1.1 標準評級圖差異

在金屬平均晶粒尺寸檢測標準中，主要有比較法、面積法和截點法3種方法。其中，比較法是運用最廣泛、使用最方便的方法。但是，在該方法使用的標準評級圖方面，ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002之間存在以下兩方面差異。

1.1.1 評級圖適用范圍差異

表1和表2分別為GB和ASTM規定的標準評級圖適用范圍。表3為ASTM與GB對部分金屬材料的適用評級圖范圍規定的差異。

表1 GB/T 6394——2002標準系列評級圖適用范圍

表2 ASTM E112——2012標準評級圖適用范圍

表3 ASTM與GB評級圖適用范圍差異

1）ASTM E112——2012對于銅和銅合金適用評級圖范圍的規定方面，正文和附錄的敘述并不相符。正文中對于銅和銅合金，要求參考附錄A4。而A4實際上是關于斷裂晶粒尺寸法的敘述；附錄A5才是對于銅和銅合金煅件的規定。另外，ASTM正文中規定使用系列評級圖III（深腐蝕有孿晶晶粒）或IV（鋼中的奧氏體晶粒）（如表3所示），而附錄A5中則規定使用系列評級圖III（深腐蝕有孿晶晶粒）或II（淺腐蝕有孿晶晶粒）[4]。由于系列評級圖II、III針對的都是有孿晶晶粒，而系列評級圖IV針對鋼中的奧氏體晶粒。從適用的晶粒類型方面考慮，將銅和銅合金適用評級圖范圍規定為系列評級圖II或III更為恰當。建議ASTM采用附錄A5中的劃分，將銅的適用評級圖范圍規定為系列評級圖II或III。

2）ASTM對金屬材料的適用評級圖劃分更為寬泛。但是ASTM并未對使用系列評級圖的具體情況給予更為明確的規定。例如，對于同一塊試樣，不同的人可能會將其分別判斷為深腐蝕和淺腐蝕，這樣根據ASTM的標準，將分別使用系列評級圖III和II，而使用不同的評級圖得到的平均晶粒尺寸沒有比較的意義。而GB劃分的范圍雖然比較狹窄，但其規定明確，更適合實際生產的使用。

3）ASTM對于3種合金（如表3所示）的適用評級圖范圍更為寬泛。例如對于銅和銅合金，ASTM E112——2012附錄A5《銅和銅合金鍛件的規定》中明確指出，如果試樣經過深腐蝕，需要使用系列評級圖III（深腐蝕有孿晶晶粒）；如果試樣經過淺腐蝕，則需要使用系列評級圖II（淺腐蝕有孿晶晶粒）。但是，GB中則規定銅和銅合金一律使用系列評級圖III。

1.1.2 不同放大倍數下所測顯微晶粒度關系差異

ASTM和GB給出的標準評級圖，其放大倍數為75倍或100倍。而在實際操作中，當基準放大倍數（75倍、100倍）不能滿足需要時，可以使用其他倍數放大至滿足規定要求，再根據評級圖不同放大倍數下顯微晶粒度關系表格進行換算。ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002給出的評級圖III在不同放大倍數下所測定的顯微晶粒度關系表格在某些倍數（400×，500×）上差異明顯，如表4所示。可以看出，對應的放大倍數下，ASTM的顯微晶粒度級別數要大于GB標準的規定，且兩者差異在0.7～0.9之間基本不變。

1.2 面積法中對單位面積內晶粒數的計算

面積法中，最核心的部分是對測量網格內的晶粒計數。而ASTM和GB在使用測量網格的規定和單位面積內晶粒個數計算公式的定義存在差異，如表5所示。

表4 ASTM和GB評級圖III不同放大倍數測定的顯微晶粒度關系比較

表5 ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002面積法測量網格和計算公式對比

表6 ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002中其他影響平均晶粒尺寸因素的對比

GB采用了矩形法的公式，但是使用的是圓形法規定的圓形測量網格，混淆了兩種方法的使用網格和計算公式。由于ASTM的圓形法和矩形法分別有Jeffries和Saltykov的研究成果作為支撐，GB中面積法使用網格和計算公式條件的不一致，在學術上是不嚴謹的。建議GB將兩種方法都寫入標準，分別給出圓形法和矩形法使用的測量網格和計算公式。

1.3 其他影響平均晶粒尺寸測定的因素

ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002之間還存在著相關概念、準確度以及特殊要求等方面的差異。這些差異在標準的理解及統一執行方面有一定的影響，如表6所示。

1.4 斷口晶粒尺寸法

斷口晶粒尺寸法是由Arpi[10]和Shepherd[11]發明的，通過比較試樣和10個標準斷口，分析預測試樣的平均晶粒尺寸。10個標準斷口編號為1～10，分別與ASTM的晶粒尺寸級別數相對應。碳鋼和合金鋼的滲碳處理可以用此方法。

試樣斷口可以通過一端固定時敲打另一端，利用壓力機或拉伸機三點彎曲，以及其他適合的方法得到。在弄斷試樣之前可以進行開V形口或冷卻處理以獲得平坦的斷口。試樣通常是橫向斷裂，將斷口與Shepherd系列的10個標準斷口比較。與試樣斷口形貌最接近的標準斷口整數編號，即為其斷裂晶粒尺寸。標準允許在兩個整數編號中插入半數。如果斷口有兩種不同的斷裂組織形貌，可以同時標出兩個數字。斷口晶粒尺寸法的晶粒度級別數不能小于10。斷口試樣原奧氏體的晶粒度＜10時，不能進行目測而且只能評定為10級。

GB未收錄此方法有如下的原因：首先，該方法只能用于微觀結構主要為馬氏體的高硬度高脆性鋼，如工具鋼、高碳鋼和馬氏體不銹鋼。而且只能在試樣淬火或回火時使用。這樣使得該方法的使用范圍大大減小。再者，標準試樣并沒有統一的標準。不同的公司制作的標準試樣不同，這樣不利于標準的統一。最后，標準試樣必須進行日常的清潔和定期的維護，與常規的比較法相比過于繁瑣。

2 結束語

1）ASTM和GB的標準評級圖相同，但給出的金屬材料適用范圍、放大倍數換算表格不同，會導致評級結果準確度存在差異。例如，對于銅和銅合金，ASTM給出的適用評級圖為評級圖II（淺腐蝕有孿晶晶粒）和評級圖III（深腐蝕有孿晶晶粒），而GB給出的適用范圍只有評級圖III。使用不同的評級圖，得到的平均晶粒尺寸精度不同。另外，ASTM和GB給出的標準評級圖，其標準放大倍數為75倍或100倍。而在實際操作中，標準放大倍數并不能完全滿足需求。這就需要使用其他的放大倍數。而ASTM和GB給出的評級圖III不同放大倍數下晶粒度關系表格不同（見表4），得到的晶粒度級別書出現0.7～0.9的差異。

2）面積法中，GB使用的測量網格規定和計算公式有待改進。GB和ASTM中的圓形法使用相同的圓形測量網格，但是二者計算單位面積內晶粒個數的公式不同；而GB和ASTM中的矩形法使用的計算公式相同，卻使用不同的網格（矩形法使用矩形或正方形網格）。由于ASTM的圓形法和矩形法分別有Jeffries，Saltykov的研究成果作為支撐，有科研基礎，建議GB參考ASTM，將圓形法和矩形法一并寫入面積法，并分別給出兩種方法的適用測量網格和計算公式。

3）ASTM和GB對于晶粒尺寸等相關概念、檢測方法使用規定等方面的表述和理解存在差異。這些差異會形成標準之間相互交流的障礙，不利于標準統一化，對于平均晶粒尺寸的準確度也存在影響。

4）斷裂晶粒尺寸法為ASTM獨有。其適用范圍較小，且使用復雜，技術要求較高，但適用于主要成分為馬氏體的高碳鋼和高合金鋼。建議GB推薦采用此方法，并將此方法附在附錄，以便在實際生產作為參考。

[1]劉久戰，蔡安，張曉靜，等.中國民用飛機航空材料和材料標準體系研究探討[J].航空制造技術，2012（12）：68-71.

[2]卿紅宇.淺談民航采標[J].中國民用航空，2011（12）：66-67.

[3]張韻笛.標準為航空業飛速發展插上翅膀[J].標準生活，2009（9）：57-63.

[4]ASTM E112，Standard Test Methods for Determining Average Grain Size[S].NewYork:American Society for Testing and Materials，2012.

[6]Jeffries Z，Kline A H，et al.The Determination of the Average Grain Size in Metals[J].Trans.AIME，1916（54）：594-607.

[7]Jeffries Z.Grain-size measurements in metals[J].Trans. of the Faraday Society，1917（12）：40-53.

[8]George Vander Voort.Grain Size Measurement：The Jeffries Planimetric Method[J].Vac Aero，2012（3）：20-24.

[9]Saltykov S R.Particle Size Characterization[C]//H.Elias, ed.Proceedings of the Second International Congress for Stereology.New York:Springer,1967：163-197.

[10]R Arpi.The Fracture Test as Used for Tool Steel in Sweden[J].Metallurgia,1935，11（65）：123-127.

[11]Shepherd B F.The P-F Characteristic of Steel[J].Transactions of the American Society of Metal，1934（22）：979-1016.

Study on the test standards of average grain sizes of aeronautical metal materials

CHEN Yajun，ZHOU Shu，HUANG Yan
（Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China）

To provide a reasonable reference for the formulation of the testing standards of the average grain sizes of metal materials in Chinese aviation industry，the paper has compared and analyzed the major differences of the testing standards ASTM and GB in terms of four aspects：standard rating charts，area-method formula（Jeffries procedure），other factors that affect the accuracy of average grain sizes，and the Fracture Grain Size Methods The study has revealed that the standard rating charts given by the ASTM and GB testing standards are identical，whereas the applicable metal-material ranges and the amplification-conversing tables are difference.Thus，the rating accuracy is difference as well.In the Planimetric（Jeffries）procedure，the circular method and the rectangular method of the ASTM testing standard are more reliably based on the research achievements of Jeffries and Saltykov.Conversely，the provisions on measurement grids and the calculation formula of the GB testing standard have yet to be improved.The above two standards differ in the expression and interpretation of grain size-related concepts and detection methods，which has impacted the accuracy of the average grain sizes.The Fracture Grain Size Method is unique to the ASTM testing standard.Compared to GB/T 6394——2002，ASTM E112——2012 is more specific，more normative，highly practical，and better tailors the Chinese civil aviation industry.

average grain size；ASTM E112-2012；GB/T 6394-2002；standard

A文章編號：1674-5124（2015）06-0008-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.002

2015-01-05；

2015-02-27

國家自然科學基金（51301198）；中央高校基本科研業務費中國民航大學專項（3122013H002）

陳亞軍（1976-），男，天津市人，副教授，博士，主要從事材料性能檢測及標準方面的科研和教學。