袁文明

（北京航空材料研究院，北京 100095）

發(fā)紋是磁粉探傷中經(jīng)常遇到的一種原材料缺陷。鋼中非金屬夾雜物、氣孔在軋制和拉拔過程中隨著金屬的變形伸長而形成發(fā)紋。絕大多數(shù)的發(fā)紋都伴有非金屬夾雜物，例如硫化物和氧化物。發(fā)紋沿金屬纖維方向分布，呈細(xì)而直的線狀，有時亦隨纖維走向而略微彎曲。材料或零件中的發(fā)紋在應(yīng)力的作用下，會在尖角處沿著發(fā)紋方向擴(kuò)張，形成裂紋，嚴(yán)重降低了零件使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致零件斷裂等重大事故。

磁粉檢驗(yàn)對于發(fā)紋的檢驗(yàn)與其它裂紋的檢驗(yàn)方法不同。由于發(fā)紋是非金屬夾雜物經(jīng)過變形拉伸后引起，其缺陷尺寸往往很小、很細(xì)。為保證零件的冶金質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能，就要求在磁粉檢驗(yàn)過程中綜合考慮，采用合適的磁化規(guī)范以保證零件上發(fā)紋的檢出率。同時，對于發(fā)紋的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，也應(yīng)該隨產(chǎn)品要求的不同，制定不同的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

在西方國家的標(biāo)準(zhǔn)中沒有“發(fā)紋”的概念，俄羅斯和中國標(biāo)準(zhǔn)中發(fā)紋檢查的概念相當(dāng)于西方標(biāo)準(zhǔn)中的非金屬夾雜物的宏觀測量方法或鋼的“純潔度”低倍測定方法，這種宏觀測量方法一般采用磁粉法或磁力探傷法進(jìn)行。表征“發(fā)紋”（線型和條狀的塑性夾雜物）的參數(shù)是磁痕（夾雜物）的數(shù)量、長度或厚度。

1 俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)

俄羅斯鋼中發(fā)紋評定方法在ТУ14—1–336中進(jìn)行了規(guī)定。該技術(shù)條件給出了合金結(jié)構(gòu)鋼和熱穩(wěn)定鋼零件表面所顯示的發(fā)紋數(shù)量和長度的允許標(biāo)準(zhǔn)，適用于大氣熔煉、真空電弧和電渣重熔的鋼產(chǎn)品。嚴(yán)格來說，該技術(shù)條件并不是發(fā)紋檢驗(yàn)的試驗(yàn)方法，而是評定鋼中發(fā)紋嚴(yán)重程度的技術(shù)條件。俄羅斯將ТУ14—1–336–72用于代替用塔形試樣來檢查金屬中發(fā)紋的方法。在俄羅斯許多重要的材料技術(shù)條件中，如結(jié)構(gòu)鋼棒材技術(shù)條件（ТУ14—1–1885）和高合金鋼技術(shù)條件（ТУ14—1–3957）等都采用了這一發(fā)紋檢驗(yàn)和評定標(biāo)準(zhǔn)，而且規(guī)定發(fā)紋檢驗(yàn)由需方在成品零件上進(jìn)行。ТУ14—1–336采用磁力探傷法檢查零件表面的發(fā)紋，其具體的檢驗(yàn)步驟按全俄航空材料研究院和中央黑色冶金研究院商定的說明書№370進(jìn)行。成品零件表面上發(fā)紋的允許標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。如果發(fā)紋超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則由供方對金屬的質(zhì)量承擔(dān)經(jīng)濟(jì)責(zé)任。

目前，對俄羅斯磁力探傷檢查發(fā)紋的具體過程尚不清楚，但有一點(diǎn)可以肯定，俄羅斯已不采用塔形試驗(yàn)檢查鋼材的發(fā)紋，而將對鋼中發(fā)紋的檢驗(yàn)轉(zhuǎn)移到需方去做，按檢驗(yàn)表面積分檔規(guī)定發(fā)紋的合格標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)發(fā)紋檢驗(yàn)出現(xiàn)不合格情況時由供方負(fù)責(zé)經(jīng)濟(jì)責(zé)任。這種在成品件上檢查發(fā)紋的方法，其優(yōu)點(diǎn)是避免了塔形試驗(yàn)法對試樣切取和加工的苛刻要求，提高了發(fā)紋檢驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性和有效性。

表1 俄羅斯鋼的發(fā)紋評定標(biāo)準(zhǔn)

2 美國標(biāo)準(zhǔn)

美國宇航材料規(guī)范AMS 2300F規(guī)定了航空優(yōu)質(zhì)鋼純潔度磁粉檢查方法。該規(guī)范適用于大型鋼坯、圓管、鍛造毛坯或閃光焊環(huán)形件、棒材、板材、管材、扁坯和用于制造高強(qiáng)度零件的擠壓件。AMS采用塔形試樣，規(guī)定了不同品種鋼材的取樣方法和試樣尺寸。以棒材為例，當(dāng)尺寸不大于150 mm時采用“一價”直圓柱體（公稱長度為125 mm）或制成“等長環(huán)形臺階”的塔形試樣，如表2。隨著鋼材尺寸增加，塔形試樣的臺階也隨之增加，最多可達(dá)到5階。對尺寸大于150 mm的棒材則可采用改鍛或機(jī)加工方法制成不大于150 mm的棒材后，進(jìn)行塔形試驗(yàn)。磁粉檢驗(yàn)的具體操作過程在AMS 2640中進(jìn)行了規(guī)定。

表2 美標(biāo)規(guī)定的塔形試樣尺寸

AMS規(guī)定磁痕起算長度為0.4 mm（1/64in），鋼的純潔度按磁痕的頻度（F）和嚴(yán)重度（S）進(jìn)行評定。頻度等于試樣磁痕總數(shù)除以試樣的表面積；嚴(yán)重度等于試樣的積值除以試驗(yàn)面積，積值是指試樣的磁痕數(shù)與相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)之積相加之和。不同磁痕長度的嚴(yán)重度加權(quán)系數(shù)如表3。

AMS還給出了爐次鑒定和產(chǎn)品鑒定時鋼材應(yīng)符合的頻度和嚴(yán)重度標(biāo)準(zhǔn)，見表4，并對磁粉檢驗(yàn)結(jié)果不合格時的復(fù)驗(yàn)方法作了專門規(guī)定。

可以看出，AMS對鋼材純潔度的檢驗(yàn)是以單位面積所顯示磁痕的頻度和嚴(yán)重度來表征的。從塔形試樣制備和磁粉檢驗(yàn)的指標(biāo)來看，美標(biāo)對航空用優(yōu)質(zhì)鋼的純潔度要求是相當(dāng)嚴(yán)格的，但從單位面積的發(fā)紋數(shù)量來看，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)在受檢面積51 cm2～1 000cm2范圍內(nèi)的允許指標(biāo)為0.010～0.015/ cm2（對于電渣和真空電弧重熔的金屬），它接近于AMS 2300中產(chǎn)品鑒定時的磁痕頻度值0.016。在嚴(yán)重度方面，俄標(biāo)只對一定面積上發(fā)紋的最大長度和發(fā)紋總長度作了限制，這與美標(biāo)中根據(jù)磁痕長度確定加權(quán)系數(shù)的嚴(yán)重度概念有所不同。

表3 AMS規(guī)定嚴(yán)重度加權(quán)系數(shù)

表4 美標(biāo)鋼的純潔度標(biāo)準(zhǔn)

3 法國標(biāo)準(zhǔn)

法國宇航標(biāo)準(zhǔn)AIR 0819規(guī)定了鋼絲、鋼棒、鋼坯、鋼管質(zhì)量的磁力探傷檢驗(yàn)方法，其采用的試樣尺寸與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3763相同，均為3級塔形試樣，從而保證各級（階）表面積相等，如表5。如果棒材直徑為80mm，則每級表面積為1dm2。

表5 法國標(biāo)準(zhǔn)塔形試樣尺寸

法國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩種檢驗(yàn)類型：一是交貨狀態(tài)鋼材的檢查。根據(jù)材料的狀態(tài)和用途進(jìn)行全檢或是對試樣進(jìn)行檢查。如果鋼材尺寸大于100 mm，則只采取試樣檢查；二是在鋼材未達(dá)到“交貨狀態(tài)”之前，把每一爐鋼的全部或部分坯料預(yù)制成D=80mm的圓柱體試樣，然后加工成階梯形（塔形）試樣進(jìn)行檢查。

AIR 0819給出了交貨狀態(tài)鋼材上由夾渣痕跡所確定的4個級別的合格標(biāo)準(zhǔn)，見表6。

法標(biāo)磁粉檢驗(yàn)的類型與美標(biāo)相一致，也分為產(chǎn)品（鋼材）檢驗(yàn)和爐次檢驗(yàn)。法標(biāo)1dm2上缺陷數(shù)相當(dāng)于美標(biāo)磁痕的頻度指標(biāo)，其中dm2面積上4級缺陷數(shù)為5個（0.05/cm2），接近于美標(biāo)爐次鑒定平均頻度0.04/cm2的水平，所不同的是缺陷起算長度略有差異，美標(biāo)為0.4mm，法標(biāo)為0.5mm。此外，法標(biāo)還規(guī)定了1～4級1dm2內(nèi)缺陷數(shù)量和長度的標(biāo)準(zhǔn)評級圖。

表6 法國標(biāo)準(zhǔn)鋼的磁粉檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

從發(fā)紋缺陷的衡量標(biāo)準(zhǔn)來看，俄標(biāo)在受檢面積上所允許發(fā)紋數(shù)量和總長度類似于法標(biāo)1 dm2內(nèi)缺陷累計(jì)的最大長度和缺陷累計(jì)數(shù)。對于電渣鋼來說，俄標(biāo)在100～600cm2范圍內(nèi)允許發(fā)紋數(shù)量分別為3～6mm/ dm2和1～4 mm/ dm2，接近于法國標(biāo)準(zhǔn)的4級水平。

ISO 3763除了采用臺階加工和磁性質(zhì)點(diǎn)法檢查發(fā)紋外，還規(guī)定了發(fā)蘭斷口檢驗(yàn)法，它是測定經(jīng)過發(fā)蘭回火處理的斷口表面上可見的非金屬夾雜物總數(shù)量和分布情況。產(chǎn)品的縱向斷口上夾雜物通常呈白條狀，ISO標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)夾雜物的長度和厚度范圍分為0～4級。為了便于定性檢驗(yàn)，ISO標(biāo)準(zhǔn)還給出了9級發(fā)蘭斷口的評級圖。

可見，西方標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)的“發(fā)紋”檢驗(yàn)都是在一定面積內(nèi)對線性、條狀非金屬夾雜物的長度和數(shù)量的宏觀檢查，它們共同的特點(diǎn)是采用多臺階的塔形試樣，以磁力探傷法顯示“發(fā)紋”。俄羅斯發(fā)紋評定標(biāo)準(zhǔn)與西方標(biāo)準(zhǔn)相比，前者是針對成品零件的發(fā)紋檢查，后者是側(cè)重于對鋼材的各類品種（棒、板、帶、管、扁條材等）的發(fā)紋檢查。

與西方標(biāo)準(zhǔn)相比，俄羅斯發(fā)紋檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)在于：一是避免了鋼材的塔形試驗(yàn)方法對試樣選取、加工的復(fù)雜要求；二是減少了因加工塔形試樣（尤其對于大規(guī)格鋼材）而造成的材料浪費(fèi)；三在零件上進(jìn)行發(fā)紋檢驗(yàn)，有助于保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。但這種發(fā)紋檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的缺點(diǎn)可能為：由于缺少對成品之前的鋼材或毛坯料的發(fā)紋檢驗(yàn)，這對最終產(chǎn)品的質(zhì)量控制是不利的，亦即不能及時發(fā)現(xiàn)和控制供方所提供鋼材在發(fā)紋方面的合格性。一旦在成品零件上出現(xiàn)發(fā)紋超標(biāo)情況，將造成工時浪費(fèi)，并影響生產(chǎn)進(jìn)度。

不論是在成品還是在鋼材的發(fā)紋檢驗(yàn)中，俄羅斯和西方標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了發(fā)紋嚴(yán)重程度的評定標(biāo)準(zhǔn)和允許級別，有的標(biāo)準(zhǔn)甚至給出了發(fā)紋的標(biāo)準(zhǔn)評級圖。從這一點(diǎn)來說，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)與西方標(biāo)準(zhǔn)是一致的，即在發(fā)紋的試驗(yàn)方法和評定標(biāo)準(zhǔn)上合二為一。

4 我國標(biāo)準(zhǔn)

我國鋼材的發(fā)紋檢驗(yàn)方法為酸浸檢驗(yàn)法和磁粉檢驗(yàn)法。GB/T 15711–1995《鋼材塔形發(fā)紋酸浸檢驗(yàn)方法》是在YB47基礎(chǔ)上非等效采用ISO 3763《鍛制鋼材—評定非金屬夾雜物含量的宏觀方法》而制定的。它適用于塔形試樣酸浸法檢驗(yàn)鋼材中的發(fā)紋數(shù)量、長度和分布。在塔形試樣的尺寸上，等效采用ISO 3673中規(guī)定的di/ D系數(shù)，如表7。

表7 我國鋼材檢驗(yàn)發(fā)紋的塔形試樣尺寸

GB/T 10121–1988《鋼材塔形發(fā)紋磁粉檢驗(yàn)方法》是參照ASTM E709而制定的，它適用于檢驗(yàn)鐵磁性鋼材塔形表面發(fā)紋及其他缺陷。該標(biāo)準(zhǔn)為一般性通用磁粉檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，對試樣的截取部位、數(shù)量、規(guī)格、狀態(tài)以及鋼材中塔形試樣發(fā)紋起算長度、合格界限未作具體規(guī)定。

可見，我國鋼材的發(fā)紋檢驗(yàn)以塔形試驗(yàn)為主，包括熱酸浸蝕法和磁粉檢驗(yàn)法，這是兩種原理不同的方法，在檢驗(yàn)鋼材發(fā)紋時可任選其中之一，并非這種方法代替那種方法。兩種方法都是科學(xué)有效的，由供需雙方協(xié)商選擇。

航空用鋼的GJB 1951–1994和GJB2294–1995均采用了這兩種發(fā)紋檢驗(yàn)法，即按YB47（已被GB/T 15711–1995代替）或GB/T 10121–1988規(guī)定執(zhí)行，尺寸大于150mm鋼材的塔形試樣尺寸則另有規(guī)定，見表8。

GJB 1951–1994和GJB 2294–1995規(guī)定的發(fā)紋起算長度為0.6mm，在同一母線上兩條發(fā)紋間距小于2 mm時作為一條發(fā)紋計(jì)算。發(fā)紋的合格標(biāo)準(zhǔn)如表9。

我國標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)紋檢驗(yàn)方法是針對鋼材而言，與ISO標(biāo)準(zhǔn)和西方國家的發(fā)紋檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)相類似，但與俄羅斯在成品零件表面的發(fā)紋評定方法截然不同。在發(fā)紋的顯示方法上俄標(biāo)與我國標(biāo)準(zhǔn)是一致的，它們都采用了酸浸法或磁力探傷法。

表8 我國航空用大尺寸（＞150mm）鋼材的塔形試樣尺寸 （mm）

表9 我國航空用鋼發(fā)紋評定標(biāo)準(zhǔn)

我國發(fā)紋檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)同西方標(biāo)準(zhǔn)的差異在于塔形試樣規(guī)格及發(fā)紋表示方法的不同，我國標(biāo)準(zhǔn)的塔形試樣為定長的3個臺階，而ISO標(biāo)準(zhǔn)和法國標(biāo)準(zhǔn)的塔形試樣保持各階面積相等，美國標(biāo)準(zhǔn)塔形試樣的階梯數(shù)隨著鋼材的尺寸增加而增加。在發(fā)紋測定結(jié)果的表示方法上，我國標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)為每個臺階發(fā)紋數(shù)量和長度，而西方標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)為單位面積發(fā)紋的數(shù)量和長度。

5 分析結(jié)論

對于鋼中發(fā)紋的評定，俄標(biāo)一改過去那種采用塔形試驗(yàn)來檢查鋼材中發(fā)紋數(shù)量的方法，而是在成品件表面檢測發(fā)紋，以不同面積內(nèi)發(fā)紋的數(shù)量和長度來表征鋼中發(fā)紋的嚴(yán)重程度。俄羅斯的發(fā)紋試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)有其獨(dú)特之處，它為鋼產(chǎn)品中發(fā)紋的檢查和控制提出了新的思路。

我國發(fā)紋檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用定長3個臺階來表征發(fā)紋的數(shù)量和長度，西方標(biāo)準(zhǔn)表征為單位面積發(fā)紋的數(shù)量和長度。在發(fā)紋的起算長度上，美標(biāo)控制最嚴(yán)，為0.4mm，其次是法標(biāo)，為0.5mm，我國標(biāo)準(zhǔn)控制稍松，為0.6mm，俄標(biāo)雖然在發(fā)紋的最大長度上控制較寬（3mm～7mm），但對發(fā)紋的數(shù)量和總長度有比較嚴(yán)格的限制。

美標(biāo)對發(fā)紋檢驗(yàn)采用頻度和嚴(yán)重度相結(jié)合的控制指標(biāo)適用于航空高級優(yōu)質(zhì)鋼材純潔度的控制，建議對我國航空用高性能鋼的純潔度檢驗(yàn)盡量采用美標(biāo)的方法。