航空金属材料平均晶粒尺寸检测标准研究

陈亚军，周姝，黄彦

（中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300）

航空金属材料平均晶粒尺寸检测标准研究

陈亚军，周姝，黄彦

（中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300）

为制定更适合我国民航行业的金属材料平均晶粒尺寸的检测标准，从标准评级图、面积法计算公式、断口晶粒尺寸法以及其他影响平均晶粒尺寸精确度的因素4个方面，比较分析ASTM和GB检测标准的主要的差异。结果表明：ASTM和GB的标准评级图相同，但给出的金属材料适用范围、放大倍数换算表格不同，导致评级结果精度差异；面积法中，ASTM标准中的圆形法和矩形法分别有Jeffries，Saltykov的研究成果作为支撑，更为科学，而GB使用的测量网格规定和计算公式有待改进；ASTM和GB对于晶粒尺寸等相关概念、检测方法使用规定等方面的表述和理解存在差异，对平均晶粒尺寸的精度存在影响；断口晶粒尺寸法为ASTM独有。在制定我国民航行业的金属材料平均晶粒尺寸检测标准时，相比GB/T 6394——2002，ASTM E112——2012标准更加详细、规范，实用性高，更符合我国民航行业行情。

平均晶粒尺寸检测；ASTM E112-2012；GB/T 6394-2002；标准

0 引言

美国在航空材料检测标准及标准体系方面处于世界领先地位。ASTM标准认同度高，不仅得到了波音、空客等大量飞机设计商和制造商的认可，还得到了航空公司、材料生产商以及质量监管部门的广泛采纳和运用，是目前国际民航行业遵循的通用标准[1-3]。我国经过几十年的发展，初步建立了基本满足金属材料检测要求的标准体系。但是，在我国所使用的金属材料检测标准中，几乎没有专属于民航行业的检测标准。本文针对国内外金属材料平均晶粒尺寸检测不统一的问题，对比分析了ASTM和GB检测标准的主要异同点，希望对建立适合我国民航的金属材料平均晶粒尺寸检测标准体系提供参考。

1 ASTM和GB检测标准对比研究

本研究主要比较分析了美国宇航材料标准（ASTM）中的ASTM E112——2012[4]标准以及中国国家标准（GB）中的GB/T 6394——2002《金属平均晶粒度检测标准》[5]。

1.1 标准评级图差异

在金属平均晶粒尺寸检测标准中，主要有比较法、面积法和截点法3种方法。其中，比较法是运用最广泛、使用最方便的方法。但是，在该方法使用的标准评级图方面，ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002之间存在以下两方面差异。

1.1.1 评级图适用范围差异

表1和表2分别为GB和ASTM规定的标准评级图适用范围。表3为ASTM与GB对部分金属材料的适用评级图范围规定的差异。

表1 GB/T 6394——2002标准系列评级图适用范围

表2 ASTM E112——2012标准评级图适用范围

表3 ASTM与GB评级图适用范围差异

1）ASTM E112——2012对于铜和铜合金适用评级图范围的规定方面，正文和附录的叙述并不相符。正文中对于铜和铜合金，要求参考附录A4。而A4实际上是关于断裂晶粒尺寸法的叙述；附录A5才是对于铜和铜合金煅件的规定。另外，ASTM正文中规定使用系列评级图III（深腐蚀有孪晶晶粒）或IV（钢中的奥氏体晶粒）（如表3所示），而附录A5中则规定使用系列评级图III（深腐蚀有孪晶晶粒）或II（浅腐蚀有孪晶晶粒）[4]。由于系列评级图II、III针对的都是有孪晶晶粒，而系列评级图IV针对钢中的奥氏体晶粒。从适用的晶粒类型方面考虑，将铜和铜合金适用评级图范围规定为系列评级图II或III更为恰当。建议ASTM采用附录A5中的划分，将铜的适用评级图范围规定为系列评级图II或III。

2）ASTM对金属材料的适用评级图划分更为宽泛。但是ASTM并未对使用系列评级图的具体情况给予更为明确的规定。例如，对于同一块试样，不同的人可能会将其分别判断为深腐蚀和浅腐蚀，这样根据ASTM的标准，将分别使用系列评级图III和II，而使用不同的评级图得到的平均晶粒尺寸没有比较的意义。而GB划分的范围虽然比较狭窄，但其规定明确，更适合实际生产的使用。

3）ASTM对于3种合金（如表3所示）的适用评级图范围更为宽泛。例如对于铜和铜合金，ASTM E112——2012附录A5《铜和铜合金锻件的规定》中明确指出，如果试样经过深腐蚀，需要使用系列评级图III（深腐蚀有孪晶晶粒）；如果试样经过浅腐蚀，则需要使用系列评级图II（浅腐蚀有孪晶晶粒）。但是，GB中则规定铜和铜合金一律使用系列评级图III。

1.1.2 不同放大倍数下所测显微晶粒度关系差异

ASTM和GB给出的标准评级图，其放大倍数为75倍或100倍。而在实际操作中，当基准放大倍数（75倍、100倍）不能满足需要时，可以使用其他倍数放大至满足规定要求，再根据评级图不同放大倍数下显微晶粒度关系表格进行换算。ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002给出的评级图III在不同放大倍数下所测定的显微晶粒度关系表格在某些倍数（400×，500×）上差异明显，如表4所示。可以看出，对应的放大倍数下，ASTM的显微晶粒度级别数要大于GB标准的规定，且两者差异在0.7～0.9之间基本不变。

1.2 面积法中对单位面积内晶粒数的计算

面积法中，最核心的部分是对测量网格内的晶粒计数。而ASTM和GB在使用测量网格的规定和单位面积内晶粒个数计算公式的定义存在差异，如表5所示。

表4 ASTM和GB评级图III不同放大倍数测定的显微晶粒度关系比较

表5 ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002面积法测量网格和计算公式对比

表6 ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002中其他影响平均晶粒尺寸因素的对比

GB采用了矩形法的公式，但是使用的是圆形法规定的圆形测量网格，混淆了两种方法的使用网格和计算公式。由于ASTM的圆形法和矩形法分别有Jeffries和Saltykov的研究成果作为支撑，GB中面积法使用网格和计算公式条件的不一致，在学术上是不严谨的。建议GB将两种方法都写入标准，分别给出圆形法和矩形法使用的测量网格和计算公式。

1.3 其他影响平均晶粒尺寸测定的因素

ASTM E112——2012和GB/T 6394——2002之间还存在着相关概念、准确度以及特殊要求等方面的差异。这些差异在标准的理解及统一执行方面有一定的影响，如表6所示。

1.4 断口晶粒尺寸法

断口晶粒尺寸法是由Arpi[10]和Shepherd[11]发明的，通过比较试样和10个标准断口，分析预测试样的平均晶粒尺寸。10个标准断口编号为1～10，分别与ASTM的晶粒尺寸级别数相对应。碳钢和合金钢的渗碳处理可以用此方法。

试样断口可以通过一端固定时敲打另一端，利用压力机或拉伸机三点弯曲，以及其他适合的方法得到。在弄断试样之前可以进行开V形口或冷却处理以获得平坦的断口。试样通常是横向断裂，将断口与Shepherd系列的10个标准断口比较。与试样断口形貌最接近的标准断口整数编号，即为其断裂晶粒尺寸。标准允许在两个整数编号中插入半数。如果断口有两种不同的断裂组织形貌，可以同时标出两个数字。断口晶粒尺寸法的晶粒度级别数不能小于10。断口试样原奥氏体的晶粒度＜10时，不能进行目测而且只能评定为10级。

GB未收录此方法有如下的原因：首先，该方法只能用于微观结构主要为马氏体的高硬度高脆性钢，如工具钢、高碳钢和马氏体不锈钢。而且只能在试样淬火或回火时使用。这样使得该方法的使用范围大大减小。再者，标准试样并没有统一的标准。不同的公司制作的标准试样不同，这样不利于标准的统一。最后，标准试样必须进行日常的清洁和定期的维护，与常规的比较法相比过于繁琐。

2 结束语

1）ASTM和GB的标准评级图相同，但给出的金属材料适用范围、放大倍数换算表格不同，会导致评级结果准确度存在差异。例如，对于铜和铜合金，ASTM给出的适用评级图为评级图II（浅腐蚀有孪晶晶粒）和评级图III（深腐蚀有孪晶晶粒），而GB给出的适用范围只有评级图III。使用不同的评级图，得到的平均晶粒尺寸精度不同。另外，ASTM和GB给出的标准评级图，其标准放大倍数为75倍或100倍。而在实际操作中，标准放大倍数并不能完全满足需求。这就需要使用其他的放大倍数。而ASTM和GB给出的评级图III不同放大倍数下晶粒度关系表格不同（见表4），得到的晶粒度级别书出现0.7～0.9的差异。

2）面积法中，GB使用的测量网格规定和计算公式有待改进。GB和ASTM中的圆形法使用相同的圆形测量网格，但是二者计算单位面积内晶粒个数的公式不同；而GB和ASTM中的矩形法使用的计算公式相同，却使用不同的网格（矩形法使用矩形或正方形网格）。由于ASTM的圆形法和矩形法分别有Jeffries，Saltykov的研究成果作为支撑，有科研基础，建议GB参考ASTM，将圆形法和矩形法一并写入面积法，并分别给出两种方法的适用测量网格和计算公式。

3）ASTM和GB对于晶粒尺寸等相关概念、检测方法使用规定等方面的表述和理解存在差异。这些差异会形成标准之间相互交流的障碍，不利于标准统一化，对于平均晶粒尺寸的准确度也存在影响。

4）断裂晶粒尺寸法为ASTM独有。其适用范围较小，且使用复杂，技术要求较高，但适用于主要成分为马氏体的高碳钢和高合金钢。建议GB推荐采用此方法，并将此方法附在附录，以便在实际生产作为参考。

[1]刘久战，蔡安，张晓静，等.中国民用飞机航空材料和材料标准体系研究探讨[J].航空制造技术，2012（12）：68-71.

[2]卿红宇.浅谈民航采标[J].中国民用航空，2011（12）：66-67.

[3]张韵笛.标准为航空业飞速发展插上翅膀[J].标准生活，2009（9）：57-63.

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[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文章编号：1674-5124（2015）06-0008-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.06.002

2015-01-05；

2015-02-27

国家自然科学基金（51301198）；中央高校基本科研业务费中国民航大学专项（3122013H002）

陈亚军（1976-），男，天津市人，副教授，博士，主要从事材料性能检测及标准方面的科研和教学。