航空用钢发纹检验与评定标准综述

袁文明

（北京航空材料研究院，北京 100095）

发纹是磁粉探伤中经常遇到的一种原材料缺陷。钢中非金属夹杂物、气孔在轧制和拉拔过程中随着金属的变形伸长而形成发纹。绝大多数的发纹都伴有非金属夹杂物，例如硫化物和氧化物。发纹沿金属纤维方向分布，呈细而直的线状，有时亦随纤维走向而略微弯曲。材料或零件中的发纹在应力的作用下，会在尖角处沿着发纹方向扩张，形成裂纹，严重降低了零件使用寿命，甚至会导致零件断裂等重大事故。

磁粉检验对于发纹的检验与其它裂纹的检验方法不同。由于发纹是非金属夹杂物经过变形拉伸后引起，其缺陷尺寸往往很小、很细。为保证零件的冶金质量和结构性能，就要求在磁粉检验过程中综合考虑，采用合适的磁化规范以保证零件上发纹的检出率。同时，对于发纹的验收标准，也应该随产品要求的不同，制定不同的验收标准。

在西方国家的标准中没有“发纹”的概念，俄罗斯和中国标准中发纹检查的概念相当于西方标准中的非金属夹杂物的宏观测量方法或钢的“纯洁度”低倍测定方法，这种宏观测量方法一般采用磁粉法或磁力探伤法进行。表征“发纹”（线型和条状的塑性夹杂物）的参数是磁痕（夹杂物）的数量、长度或厚度。

1 俄罗斯标准

俄罗斯钢中发纹评定方法在ТУ14—1–336中进行了规定。该技术条件给出了合金结构钢和热稳定钢零件表面所显示的发纹数量和长度的允许标准，适用于大气熔炼、真空电弧和电渣重熔的钢产品。严格来说，该技术条件并不是发纹检验的试验方法，而是评定钢中发纹严重程度的技术条件。俄罗斯将ТУ14—1–336–72用于代替用塔形试样来检查金属中发纹的方法。在俄罗斯许多重要的材料技术条件中，如结构钢棒材技术条件（ТУ14—1–1885）和高合金钢技术条件（ТУ14—1–3957）等都采用了这一发纹检验和评定标准，而且规定发纹检验由需方在成品零件上进行。ТУ14—1–336采用磁力探伤法检查零件表面的发纹，其具体的检验步骤按全俄航空材料研究院和中央黑色冶金研究院商定的说明书№370进行。成品零件表面上发纹的允许标准如表1所示。如果发纹超过标准规定，则由供方对金属的质量承担经济责任。

目前，对俄罗斯磁力探伤检查发纹的具体过程尚不清楚，但有一点可以肯定，俄罗斯已不采用塔形试验检查钢材的发纹，而将对钢中发纹的检验转移到需方去做，按检验表面积分档规定发纹的合格标准。当发纹检验出现不合格情况时由供方负责经济责任。这种在成品件上检查发纹的方法，其优点是避免了塔形试验法对试样切取和加工的苛刻要求，提高了发纹检验结果的真实性和有效性。

表1 俄罗斯钢的发纹评定标准

2 美国标准

美国宇航材料规范AMS 2300F规定了航空优质钢纯洁度磁粉检查方法。该规范适用于大型钢坯、圆管、锻造毛坯或闪光焊环形件、棒材、板材、管材、扁坯和用于制造高强度零件的挤压件。AMS采用塔形试样，规定了不同品种钢材的取样方法和试样尺寸。以棒材为例，当尺寸不大于150 mm时采用“一价”直圆柱体（公称长度为125 mm）或制成“等长环形台阶”的塔形试样，如表2。随着钢材尺寸增加，塔形试样的台阶也随之增加，最多可达到5阶。对尺寸大于150 mm的棒材则可采用改锻或机加工方法制成不大于150 mm的棒材后，进行塔形试验。磁粉检验的具体操作过程在AMS 2640中进行了规定。

表2 美标规定的塔形试样尺寸

AMS规定磁痕起算长度为0.4 mm（1/64in），钢的纯洁度按磁痕的频度（F）和严重度（S）进行评定。频度等于试样磁痕总数除以试样的表面积；严重度等于试样的积值除以试验面积，积值是指试样的磁痕数与相应的加权系数之积相加之和。不同磁痕长度的严重度加权系数如表3。

AMS还给出了炉次鉴定和产品鉴定时钢材应符合的频度和严重度标准，见表4，并对磁粉检验结果不合格时的复验方法作了专门规定。

可以看出，AMS对钢材纯洁度的检验是以单位面积所显示磁痕的频度和严重度来表征的。从塔形试样制备和磁粉检验的指标来看，美标对航空用优质钢的纯洁度要求是相当严格的，但从单位面积的发纹数量来看，俄罗斯标准在受检面积51 cm2～1 000cm2范围内的允许指标为0.010～0.015/ cm2（对于电渣和真空电弧重熔的金属），它接近于AMS 2300中产品鉴定时的磁痕频度值0.016。在严重度方面，俄标只对一定面积上发纹的最大长度和发纹总长度作了限制，这与美标中根据磁痕长度确定加权系数的严重度概念有所不同。

表3 AMS规定严重度加权系数

表4 美标钢的纯洁度标准

3 法国标准

法国宇航标准AIR 0819规定了钢丝、钢棒、钢坯、钢管质量的磁力探伤检验方法，其采用的试样尺寸与国际标准ISO 3763相同，均为3级塔形试样，从而保证各级（阶）表面积相等，如表5。如果棒材直径为80mm，则每级表面积为1dm2。

表5 法国标准塔形试样尺寸

法国标准规定了两种检验类型：一是交货状态钢材的检查。根据材料的状态和用途进行全检或是对试样进行检查。如果钢材尺寸大于100 mm，则只采取试样检查；二是在钢材未达到“交货状态”之前，把每一炉钢的全部或部分坯料预制成D=80mm的圆柱体试样，然后加工成阶梯形（塔形）试样进行检查。

AIR 0819给出了交货状态钢材上由夹渣痕迹所确定的4个级别的合格标准，见表6。

法标磁粉检验的类型与美标相一致，也分为产品（钢材）检验和炉次检验。法标1dm2上缺陷数相当于美标磁痕的频度指标，其中dm2面积上4级缺陷数为5个（0.05/cm2），接近于美标炉次鉴定平均频度0.04/cm2的水平，所不同的是缺陷起算长度略有差异，美标为0.4mm，法标为0.5mm。此外，法标还规定了1～4级1dm2内缺陷数量和长度的标准评级图。

表6 法国标准钢的磁粉检验标准

从发纹缺陷的衡量标准来看，俄标在受检面积上所允许发纹数量和总长度类似于法标1 dm2内缺陷累计的最大长度和缺陷累计数。对于电渣钢来说，俄标在100～600cm2范围内允许发纹数量分别为3～6mm/ dm2和1～4 mm/ dm2，接近于法国标准的4级水平。

ISO 3763除了采用台阶加工和磁性质点法检查发纹外，还规定了发兰断口检验法，它是测定经过发兰回火处理的断口表面上可见的非金属夹杂物总数量和分布情况。产品的纵向断口上夹杂物通常呈白条状，ISO标准根据夹杂物的长度和厚度范围分为0～4级。为了便于定性检验，ISO标准还给出了9级发兰断口的评级图。

可见，西方标准和ISO标准的“发纹”检验都是在一定面积内对线性、条状非金属夹杂物的长度和数量的宏观检查，它们共同的特点是采用多台阶的塔形试样，以磁力探伤法显示“发纹”。俄罗斯发纹评定标准与西方标准相比，前者是针对成品零件的发纹检查，后者是侧重于对钢材的各类品种（棒、板、带、管、扁条材等）的发纹检查。

与西方标准相比，俄罗斯发纹检验标准的优点在于：一是避免了钢材的塔形试验方法对试样选取、加工的复杂要求；二是减少了因加工塔形试样（尤其对于大规格钢材）而造成的材料浪费；三在零件上进行发纹检验，有助于保证最终产品的质量。但这种发纹检验标准的缺点可能为：由于缺少对成品之前的钢材或毛坯料的发纹检验，这对最终产品的质量控制是不利的，亦即不能及时发现和控制供方所提供钢材在发纹方面的合格性。一旦在成品零件上出现发纹超标情况，将造成工时浪费，并影响生产进度。

不论是在成品还是在钢材的发纹检验中，俄罗斯和西方标准都规定了发纹严重程度的评定标准和允许级别，有的标准甚至给出了发纹的标准评级图。从这一点来说，俄罗斯标准与西方标准是一致的，即在发纹的试验方法和评定标准上合二为一。

4 我国标准

我国钢材的发纹检验方法为酸浸检验法和磁粉检验法。GB/T 15711–1995《钢材塔形发纹酸浸检验方法》是在YB47基础上非等效采用ISO 3763《锻制钢材—评定非金属夹杂物含量的宏观方法》而制定的。它适用于塔形试样酸浸法检验钢材中的发纹数量、长度和分布。在塔形试样的尺寸上，等效采用ISO 3673中规定的di/ D系数，如表7。

表7 我国钢材检验发纹的塔形试样尺寸

GB/T 10121–1988《钢材塔形发纹磁粉检验方法》是参照ASTM E709而制定的，它适用于检验铁磁性钢材塔形表面发纹及其他缺陷。该标准为一般性通用磁粉检验方法标准，对试样的截取部位、数量、规格、状态以及钢材中塔形试样发纹起算长度、合格界限未作具体规定。

可见，我国钢材的发纹检验以塔形试验为主，包括热酸浸蚀法和磁粉检验法，这是两种原理不同的方法，在检验钢材发纹时可任选其中之一，并非这种方法代替那种方法。两种方法都是科学有效的，由供需双方协商选择。

航空用钢的GJB 1951–1994和GJB2294–1995均采用了这两种发纹检验法，即按YB47（已被GB/T 15711–1995代替）或GB/T 10121–1988规定执行，尺寸大于150mm钢材的塔形试样尺寸则另有规定，见表8。

GJB 1951–1994和GJB 2294–1995规定的发纹起算长度为0.6mm，在同一母线上两条发纹间距小于2 mm时作为一条发纹计算。发纹的合格标准如表9。

我国标准的发纹检验方法是针对钢材而言，与ISO标准和西方国家的发纹检验标准相类似，但与俄罗斯在成品零件表面的发纹评定方法截然不同。在发纹的显示方法上俄标与我国标准是一致的，它们都采用了酸浸法或磁力探伤法。

表8 我国航空用大尺寸（＞150mm）钢材的塔形试样尺寸 （mm）

表9 我国航空用钢发纹评定标准

我国发纹检验标准同西方标准的差异在于塔形试样规格及发纹表示方法的不同，我国标准的塔形试样为定长的3个台阶，而ISO标准和法国标准的塔形试样保持各阶面积相等，美国标准塔形试样的阶梯数随着钢材的尺寸增加而增加。在发纹测定结果的表示方法上，我国标准表现为每个台阶发纹数量和长度，而西方标准表现为单位面积发纹的数量和长度。

5 分析结论

对于钢中发纹的评定，俄标一改过去那种采用塔形试验来检查钢材中发纹数量的方法，而是在成品件表面检测发纹，以不同面积内发纹的数量和长度来表征钢中发纹的严重程度。俄罗斯的发纹试验方法标准有其独特之处，它为钢产品中发纹的检查和控制提出了新的思路。

我国发纹检验标准采用定长3个台阶来表征发纹的数量和长度，西方标准表征为单位面积发纹的数量和长度。在发纹的起算长度上，美标控制最严，为0.4mm，其次是法标，为0.5mm，我国标准控制稍松，为0.6mm，俄标虽然在发纹的最大长度上控制较宽（3mm～7mm），但对发纹的数量和总长度有比较严格的限制。

美标对发纹检验采用频度和严重度相结合的控制指标适用于航空高级优质钢材纯洁度的控制，建议对我国航空用高性能钢的纯洁度检验尽量采用美标的方法。