陳亞軍，周姝，黃彥

（中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津300300）

航空金屬材料平均晶粒尺寸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)研究

陳亞軍，周姝，黃彥

（中國(guó)民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津300300）

為制定更適合我國(guó)民航行業(yè)的金屬材料平均晶粒尺寸的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖、面積法計(jì)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(gè)方面，比較分析ASTM和GB檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的主要的差異。結(jié)果表明：ASTM和GB的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖相同，但給出的金屬材料適用范圍、放大倍數(shù)換算表格不同，導(dǎo)致評(píng)級(jí)結(jié)果精度差異；面積法中，ASTM標(biāo)準(zhǔn)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(xué)，而GB使用的測(cè)量網(wǎng)格規(guī)定和計(jì)算公式有待改進(jìn)；ASTM和GB對(duì)于晶粒尺寸等相關(guān)概念、檢測(cè)方法使用規(guī)定等方面的表述和理解存在差異，對(duì)平均晶粒尺寸的精度存在影響；斷口晶粒尺寸法為ASTM獨(dú)有。在制定我國(guó)民航行業(yè)的金屬材料平均晶粒尺寸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，相比GB/T 6394——2002，ASTM E112——2012標(biāo)準(zhǔn)更加詳細(xì)、規(guī)范，實(shí)用性高，更符合我國(guó)民航行業(yè)行情。

平均晶粒尺寸檢測(cè)；ASTM E112-2012；GB/T 6394-2002；標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

美國(guó)在航空材料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)體系方面處于世界領(lǐng)先地位。ASTM標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)同度高，不僅得到了波音、空客等大量飛機(jī)設(shè)計(jì)商和制造商的認(rèn)可，還得到了航空公司、材料生產(chǎn)商以及質(zhì)量監(jiān)管部門的廣泛采納和運(yùn)用，是目前國(guó)際民航行業(yè)遵循的通用標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，初步建立了基本滿足金屬材料檢測(cè)要求的標(biāo)準(zhǔn)體系。但是，在我國(guó)所使用的金屬材料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，幾乎沒(méi)有專屬于民航行業(yè)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)外金屬材料平均晶粒尺寸檢測(cè)不統(tǒng)一的問(wèn)題，對(duì)比分析了ASTM和GB檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的主要異同點(diǎn)，希望對(duì)建立適合我國(guó)民航的金屬材料平均晶粒尺寸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系提供參考。

1 ASTM和GB檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比研究

本研究主要比較分析了美國(guó)宇航材料標(biāo)準(zhǔn)（ASTM）中的ASTM E112——2012[4]標(biāo)準(zhǔn)以及中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）中的GB/T 6394——2002《金屬平均晶粒度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》[5]。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖差異

在金屬平均晶粒尺寸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，主要有比較法、面積法和截點(diǎn)法3種方法。其中，比較法是運(yùn)用最廣泛、使用最方便的方法。但是，在該方法使用的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)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(píng)級(jí)圖適用范圍差異

表1和表2分別為GB和ASTM規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖適用范圍。表3為ASTM與GB對(duì)部分金屬材料的適用評(píng)級(jí)圖范圍規(guī)定的差異。

表1 GB/T 6394——2002標(biāo)準(zhǔn)系列評(píng)級(jí)圖適用范圍

表2 ASTM E112——2012標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖適用范圍

表3 ASTM與GB評(píng)級(jí)圖適用范圍差異

1）ASTM E112——2012對(duì)于銅和銅合金適用評(píng)級(jí)圖范圍的規(guī)定方面，正文和附錄的敘述并不相符。正文中對(duì)于銅和銅合金，要求參考附錄A4。而A4實(shí)際上是關(guān)于斷裂晶粒尺寸法的敘述；附錄A5才是對(duì)于銅和銅合金煅件的規(guī)定。另外，ASTM正文中規(guī)定使用系列評(píng)級(jí)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(guī)定使用系列評(píng)級(jí)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(píng)級(jí)圖II、III針對(duì)的都是有孿晶晶粒，而系列評(píng)級(jí)圖IV針對(duì)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(píng)級(jí)圖范圍規(guī)定為系列評(píng)級(jí)圖II或III更為恰當(dāng)。建議ASTM采用附錄A5中的劃分，將銅的適用評(píng)級(jí)圖范圍規(guī)定為系列評(píng)級(jí)圖II或III。

2）ASTM對(duì)金屬材料的適用評(píng)級(jí)圖劃分更為寬泛。但是ASTM并未對(duì)使用系列評(píng)級(jí)圖的具體情況給予更為明確的規(guī)定。例如，對(duì)于同一塊試樣，不同的人可能會(huì)將其分別判斷為深腐蝕和淺腐蝕，這樣根據(jù)ASTM的標(biāo)準(zhǔn)，將分別使用系列評(píng)級(jí)圖III和II，而使用不同的評(píng)級(jí)圖得到的平均晶粒尺寸沒(méi)有比較的意義。而GB劃分的范圍雖然比較狹窄，但其規(guī)定明確，更適合實(shí)際生產(chǎn)的使用。

3）ASTM對(duì)于3種合金（如表3所示）的適用評(píng)級(jí)圖范圍更為寬泛。例如對(duì)于銅和銅合金，ASTM E112——2012附錄A5《銅和銅合金鍛件的規(guī)定》中明確指出，如果試樣經(jīng)過(guò)深腐蝕，需要使用系列評(píng)級(jí)圖III（深腐蝕有孿晶晶粒）；如果試樣經(jīng)過(guò)淺腐蝕，則需要使用系列評(píng)級(jí)圖II（淺腐蝕有孿晶晶粒）。但是，GB中則規(guī)定銅和銅合金一律使用系列評(píng)級(jí)圖III。

1.1.2 不同放大倍數(shù)下所測(cè)顯微晶粒度關(guān)系差異

ASTM和GB給出的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，其放大倍數(shù)為75倍或100倍。而在實(shí)際操作中，當(dāng)基準(zhǔn)放大倍數(shù)（75倍、100倍）不能滿足需要時(shí)，可以使用其他倍數(shù)放大至滿足規(guī)定要求，再根據(jù)評(píng)級(jí)圖不同放大倍數(shù)下顯微晶粒度關(guān)系表格進(jìn)行換算。ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002給出的評(píng)級(jí)圖III在不同放大倍數(shù)下所測(cè)定的顯微晶粒度關(guān)系表格在某些倍數(shù)（400×，500×）上差異明顯，如表4所示?？梢钥闯觯瑢?duì)應(yīng)的放大倍數(shù)下，ASTM的顯微晶粒度級(jí)別數(shù)要大于GB標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，且兩者差異在0.7～0.9之間基本不變。

1.2 面積法中對(duì)單位面積內(nèi)晶粒數(shù)的計(jì)算

面積法中，最核心的部分是對(duì)測(cè)量網(wǎng)格內(nèi)的晶粒計(jì)數(shù)。而ASTM和GB在使用測(cè)量網(wǎng)格的規(guī)定和單位面積內(nèi)晶粒個(gè)數(shù)計(jì)算公式的定義存在差異，如表5所示。

表4 ASTM和GB評(píng)級(jí)圖III不同放大倍數(shù)測(cè)定的顯微晶粒度關(guān)系比較

表5 ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002面積法測(cè)量網(wǎng)格和計(jì)算公式對(duì)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(duì)比

GB采用了矩形法的公式，但是使用的是圓形法規(guī)定的圓形測(cè)量網(wǎng)格，混淆了兩種方法的使用網(wǎng)格和計(jì)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(wǎng)格和計(jì)算公式條件的不一致，在學(xué)術(shù)上是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。建議GB將兩種方法都寫入標(biāo)準(zhǔn)，分別給出圓形法和矩形法使用的測(cè)量網(wǎng)格和計(jì)算公式。

1.3 其他影響平均晶粒尺寸測(cè)定的因素

ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002之間還存在著相關(guān)概念、準(zhǔn)確度以及特殊要求等方面的差異。這些差異在標(biāo)準(zhǔn)的理解及統(tǒng)一執(zhí)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(fā)明的，通過(guò)比較試樣和10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷口，分析預(yù)測(cè)試樣的平均晶粒尺寸。10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷口編號(hào)為1～10，分別與ASTM的晶粒尺寸級(jí)別數(shù)相對(duì)應(yīng)。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(guò)一端固定時(shí)敲打另一端，利用壓力機(jī)或拉伸機(jī)三點(diǎn)彎曲，以及其他適合的方法得到。在弄斷試樣之前可以進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)斷口比較。與試樣斷口形貌最接近的標(biāo)準(zhǔn)斷口整數(shù)編號(hào)，即為其斷裂晶粒尺寸。標(biāo)準(zhǔn)允許在兩個(gè)整數(shù)編號(hào)中插入半數(shù)。如果斷口有兩種不同的斷裂組織形貌，可以同時(shí)標(biāo)出兩個(gè)數(shù)字。斷口晶粒尺寸法的晶粒度級(jí)別數(shù)不能小于10。斷口試樣原奧氏體的晶粒度＜10時(shí)，不能進(jìn)行目測(cè)而且只能評(píng)定為10級(jí)。

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(jié)構(gòu)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(shí)使用。這樣使得該方法的使用范圍大大減小。再者，標(biāo)準(zhǔn)試樣并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。不同的公司制作的標(biāo)準(zhǔn)試樣不同，這樣不利于標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。最后，標(biāo)準(zhǔn)試樣必須進(jìn)行日常的清潔和定期的維護(hù)，與常規(guī)的比較法相比過(guò)于繁瑣。

2 結(jié)束語(yǔ)

1）ASTM和GB的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖相同，但給出的金屬材料適用范圍、放大倍數(shù)換算表格不同，會(huì)導(dǎo)致評(píng)級(jí)結(jié)果準(zhǔn)確度存在差異。例如，對(duì)于銅和銅合金，ASTM給出的適用評(píng)級(jí)圖為評(píng)級(jí)圖II（淺腐蝕有孿晶晶粒）和評(píng)級(jí)圖III（深腐蝕有孿晶晶粒），而GB給出的適用范圍只有評(píng)級(jí)圖III。使用不同的評(píng)級(jí)圖，得到的平均晶粒尺寸精度不同。另外，ASTM和GB給出的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，其標(biāo)準(zhǔn)放大倍數(shù)為75倍或100倍。而在實(shí)際操作中，標(biāo)準(zhǔn)放大倍數(shù)并不能完全滿足需求。這就需要使用其他的放大倍數(shù)。而ASTM和GB給出的評(píng)級(jí)圖III不同放大倍數(shù)下晶粒度關(guān)系表格不同（見表4），得到的晶粒度級(jí)別書出現(xiàn)0.7～0.9的差異。

2）面積法中，GB使用的測(cè)量網(wǎng)格規(guī)定和計(jì)算公式有待改進(jìn)。GB和ASTM中的圓形法使用相同的圓形測(cè)量網(wǎng)格，但是二者計(jì)算單位面積內(nèi)晶粒個(gè)數(shù)的公式不同；而GB和ASTM中的矩形法使用的計(jì)算公式相同，卻使用不同的網(wǎng)格（矩形法使用矩形或正方形網(wǎng)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(chǔ)，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(cè)量網(wǎng)格和計(jì)算公式。

3）ASTM和GB對(duì)于晶粒尺寸等相關(guān)概念、檢測(cè)方法使用規(guī)定等方面的表述和理解存在差異。這些差異會(huì)形成標(biāo)準(zhǔn)之間相互交流的障礙，不利于標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，對(duì)于平均晶粒尺寸的準(zhǔn)確度也存在影響。

4）斷裂晶粒尺寸法為ASTM獨(dú)有。其適用范圍較小，且使用復(fù)雜，技術(shù)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(shí)際生產(chǎn)作為參考。

[1]劉久戰(zhàn)，蔡安，張曉靜，等.中國(guó)民用飛機(jī)航空材料和材料標(biāo)準(zhǔn)體系研究探討[J].航空制造技術(shù)，2012（12）：68-71.

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

[3]張韻笛.標(biāo)準(zhǔn)為航空業(yè)飛速發(fā)展插上翅膀[J].標(biāo)準(zhǔn)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(hào)：1674-5124（2015）06-0008-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.002

2015-01-05；

2015-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金（51301198）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)中國(guó)民航大學(xué)專項(xiàng)（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(cè)及標(biāo)準(zhǔn)方面的科研和教學(xué)。