李和平

(上海宝钢工业技术服务有限公司, 上海 200941)

钢铁作为工业生产中的重要原材料，我国的产量和用量都是世界上最高的。为了保证钢铁产品的质量，会对产品规定一些检验分析的指标和要求。对比国内和国外钢铁产品标准会发现，国内标准对金相检验项目的要求比国外标准的多，很多钢铁产业成熟的国家其标准不将金相检验作为要求项目，而是作为协议项目，而国内标准都将其作为要求项目。针对此现象，笔者以碳素结构钢、合金结构钢、轴承钢、弹簧钢和冷作模具钢为例，对比了国标与美国ASTM标准和日本JIS标准对其金相检验项目的要求,并分析了出现这种差别的原因。

1 国内外钢铁标准对金相检验项目要求对比

国内外钢铁标准对于碳素结构钢、合金结构钢、轴承钢、弹簧钢和冷作模具钢的金相检验项目的要求不同，将国内GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》、GB/T 3077-2015《合金结构钢》、GB/T 18254-2016《高碳铬轴承钢》、GB/T 1222-2016《弹簧钢》、GB/T 1299-2014《工模具钢》对金相检验项目的要求与美国ASTM A575：2013StandardSpecificationforSteelBars,Carbon,MerchantQuality,M-Grades, ASTM A752:2004StandardSpecificationforGeneralRequirementsforWireRodsandCoarseRoundWire,AlloySteel, ASTM A295/A295M:2014StandardSpecificationforHigh-CarbonAnti-FrictionBearingSteel, ASTM A1000/A1000M:2017StandardSpecificationforSteelWire,CarbonandAlloySpecialtySpringQuality, ASTM A681:2015StandardSpecificationforToolSteelsAlloy和日本JIS G 4051:2016CarbonSteelsforMachineStructuralUse, JIS G 4053:2016Low-AlloyedSteelsforMachineStructuralUse, JIS G 4805:2019HighCarbonChromiumBearingSteels, JIS G 4801:2005SpringSteel, JIS G 4404:2015AlloyToolSteels对金相检验项目的要求进行对比分析，不同标准的具体要求如表1所示。

表1 国内外标准对金相检验项目的要求Tab.1 Requirements for metallographic examination item in domestic and foreign standards

对于碳素结构钢，国标要求检验低倍组织、夹杂物、脱碳；ASTM标准仅要求检验晶粒度，而且晶粒度是指后续热处理过程中的奥氏体晶粒度，对于无需做后续热处理的钢材则无需检验晶粒度，对于要求细晶粒的钢种，如果钢中铝元素含量不低于0.020%(质量分数，下同)或酸中溶解铝元素含量不低于0.015%则不需要检验晶粒度而认为晶粒度合格；JIS标准对于金相检验项目和合格限都由买方与制造方协议规定(包括脱碳、夹杂物、晶粒度、显微组织、低倍、塔形或蓝脆断口检验)。对于合金结构钢，国标要求检验低倍组织并根据买方要求检验脱碳、夹杂物，还可协议规定晶粒度、塔形、显微组织等检验项目；ASTM标准仅要求检验晶粒度,而且是在协议有规定时才检验；JIS标准对于金相检验项目和合格限都由买方与制造方协议规定(包括脱碳、夹杂物、晶粒度、显微组织、低倍、塔形或蓝脆断口检验)。对于轴承钢，国标要求检验低倍组织、断口、夹杂物、显微孔隙、显微组织、脱碳；ASTM标准要求检验夹杂物、脱碳、显微组织、晶粒度(840 ℃淬火晶粒度)，买方可附加低倍等其他检验要求；JIS标准则写明检验脱碳、显微组织、夹杂物，买方与制造方还可以协议约定低倍组织检验。对于弹簧钢，国标要求检验低倍组织、脱碳、夹杂物(常规法)；ASTM标准要求检验脱碳、夹杂物(只注重不变形夹杂物的宽度及是否靠近表面，不推荐采用常规夹杂物评定方法)；JIS标准要求检验脱碳，并写明买方事前与制造方协议检查项目、试验方法及合格限，可选的金相检验项目有晶粒度、低倍组织、非金属夹杂物、塔形或蓝脆断口、脱碳。对于冷作模具钢，国标要求检验低倍组织、显微组织、共晶碳化物、脱碳；ASTM标准要求检验低倍组织、脱碳，特殊情况下可以协议增加夹杂物检验并约定合格限；JIS标准要求检验脱碳，且买方与制造方可以协议增加非金属夹杂物、显微组织和低倍检验及合格限。

通过对比国内外标准对5种钢铁材料金相检验项目的要求，可见国标的要求是最多的，ASTM标准的要求少但是有针对性，较合理，JIS标准对金相检验项目的要求弹性最大，主要由买方与制造方协议规定。

2 国标对金相检验项目要求分析

为查明不同国家的钢铁标准为什么会有这样显著的差别，首先查阅了相关的国标对金相检验要求的演变历史。GB 699-1965《优质碳素结构钢 钢号和一般技术条件》中规定的金相检验项目有断口、低倍组织、脱碳、夹杂物、显微组织、淬透性及晶粒度，比现行的GB/T 699-2015要求的项目还要多。可见国标要求金相检验项目多是制定标准的习惯造成的，几十年来，虽然国标经过多次修订，要求的金相检验项目有所减少，有的标准对于某些项目注明了制造方能够保证质量的情况下可以不检，如GB/T 18254-2016中规定“供方若能保证退火断口合格，可不进行检验”，GB/T 1222-2016中规定“如供方能保证低倍组织合格，可采用超声波检验法或其他无损探伤法代替酸浸低倍检验”。说明有一些专家认识到国标中规定的一些金相检验项目是不合理的，其对保证产品的质量效果不明显，反而降低了生产效率，提高了成本。可是因为还有很多专家认为多一些金相检验项目虽然会对生产效率和成本造成一些损失，但可以更好地保证产品质量，而反对减少金相检验项目，使得国标目前仍然保留着一些不合理的金相检验项目。

要分析国标中的一些金相检验项目是否合理、有效，一方面需要分析从20世纪50～60年代开始制定钢铁产品标准(冶标和国标)到现阶段钢铁生产设备、工艺、技术和产品质量水平发生的变化，另一方面需要通过近几十年发展起来的体视学理论和方法分析这些检验项目是否能有效保证产品质量。20世纪50～60年代，国内的钢铁生产主要采用模铸工艺，采用炉外精炼的产品也不多,而目前连铸工艺是主流，炉外精炼技术也已被广泛采用。

首先模铸工艺的低倍检验作用与连铸工艺的不同。对于模铸钢锭轧制的钢坯，低倍检验方法可以有效检验缩孔是否切除干净，因为模铸钢锭的缩孔总是在钢锭的头部，模铸的缩孔中会有钢渣，如果未能切除干净会导致产品报废。而连铸的缩孔在连铸坯中的位置是随机的，且缩孔中没有钢渣，在后续的轧制过程中会焊合，不会像模铸缩孔那样导致产品报废。ASTM标准对5类钢铁产品都没有要求低倍检验。产品标准中不规定低倍检验并不意味着钢厂不需要做低倍检验，而是表明低倍检验的直接目的不是控制产品质量，而是监测设备和工艺状况。具体来说大致可分为两种情况：一是通过连铸坯低倍检验监测连铸设备和工艺状况是否正常。为此，应检验裂纹、柱状晶、枝状晶、等轴晶区、缩孔(中孔)、氩气泡、针孔、急冷层，定期对连铸坯进行抽检，可规定不同班次对不同部位取样进行检验，如早班取头部样，中班取中部样，夜班取尾部样。二是对经过轧制的半成品坯进行低倍检验，以对连铸设备和工艺进行监测。如果采用类似于ASTM E381：2017StandardMethodofMacroetchTestingSteelBars,Billets,Blooms,andForgings中对连铸产品的线性和圆形缺陷采用的定量评定方法，可以通过在半成品甚至成品上的检验来部分代替连铸坯检验，从而降低损耗和成本，同时可评估轧制设备和工艺是否有问题。应检验裂纹、缩孔、中心疏松、一般疏松、中心偏析、白亮带、树枝晶、等轴晶、柱状晶、夹渣。上述低倍检验不是产品的检验项目，不需要每炉钢都进行检验。

其次没有炉外精炼工序的钢与有炉外精炼工序的钢中夹杂物含量也有差别。有炉外精炼工序生产的钢中硫和氧元素含量会远远低于没有炉外精炼工序钢的，夹杂物含量自然会大幅度降低，对于采用炉外精炼工序生产的钢按照没有炉外精炼工序钢的夹杂物指标进行检验和评判，从保证产品质量的角度来看显得比较不合逻辑，且因为钢铁产品的国标中夹杂物检验项目和判据参考的是半个世纪前的标准，实际上是用几十年前不经精炼的钢的标准评判现在经过精炼钢的纯净度，同样比较不合理。值得注意的是虽然有很多实例证明宏观夹杂物能够给产品性能造成严重影响，会造成产品报废甚至引发事故[1-4]，但是这种夹杂物是随机分布在钢材中的，采用常规的金相检验方法在试样检验表面发现的概率极低，所以常规金相检验方法检验宏观夹杂物不仅无效,而且通常会得到将不合格产品判为合格的误导性检测报告；常规金相检验方法虽然能够检出内生的显微夹杂物，但是现在经过炉外精炼工序生产的钢材中内生夹杂物含量已经很低，通常不会对钢材的常规力学性能产生显著影响，除了轴承钢等少数特殊钢种外，检验夹杂物对于产品质量没有明显的贡献,却降低了生产效率、增加了成本。

自20世纪50年代SALTYKOV C A[5]发表了《体视金相学》后，国内学者[6-7]也发表了一系列体视学专著，介绍了体视学的理论和方法,使得体视学发展成为一门能够通过观测面的测量推算金属立体空间中情况的理论和方法。采用体视学方法分析计算可以证明，对于经炉外精炼、纯净度好的钢材，采用常规金相制样、低倍酸蚀、断口或者塔形检验方法能够在试样表面发现宏观夹杂物的概率极小[8]，即使检验人员非常认真地检验试样观测面，也会在检出1炉钢的宏观夹杂物的同时至少会伴随着999炉有宏观夹杂物的钢未能检出，所以这些检验方法不仅是无效的，还可能会给相信检测报告的人造成误导(不合格产品被报告为合格产品的概率超过99.9%)。

3 分析与讨论

由表1中标准的金相检验项目要求可以看出，ASTM标准规定的检验项目具有针对性，国标的检验项目则没有根据生产技术和产品质量的提高而进行改进，JIS标准体现了日本作为钢铁技术强国和出口大国的弹性，其规定的必检项目甚至比ASTM标准的还少，但是可以通过协议添加买方要求的各种项目。这样既可以适应向美国等国家出口，又可满足中国用户和标准的要求。

基础钢铁产品的冶标和国标是在20世纪50～60年代陆续制定出来的，当时国内的钢铁生产技术还比较落后，对产品质量的控制能力较弱，因此把保证质量的希望寄托在产品检验上，在当时的情况下规定较多的金相高、低倍检验项目是可以理解的，至少采用低倍方法来检验模铸钢缩孔残余是否被切除干净是有效的。但是半个多世纪之后的今天，钢铁生产设备、工艺和技术已经有了巨大的进步，全面质量管理的理论已经明确了产品质量不能靠事后检验来保证。

体视学理论提供了分析金相高、低倍检验方法有效性的理论和方法。国内钢铁标准的相关技术人员需要审视相关标准规定的金相检验项目的合理性和有效性，并在修订的时候参照国外相应标准删除无效的、甚至会误导的检验项目，因为这些检验项目会降低生产效率，提高生产成本，而这种无效的成本最终是要由生产企业包括买方来承担的。另一方面，国标中的这些不合理规定长期得不到纠正，会暴露出国内在标准制、修订管理体制方面的缺陷，在国际上显示出标准制定水平的差距。

4 结论

国标对于钢铁产品金相检验项目的要求是最多的；ASTM标准对金相检验项目的要求较少但是具有针对性；JIS标准对金相检验项目的要求弹性较大，主要由买方与制造方协议规定。对照国外标准对应钢种的金相检验项目，采用体视学方法对金相检验项目的合理性和有效性进行分析，发现国内钢铁标准的规定已落后于钢铁生产设备和工艺的技术进步，需要参照国外相应标准进行修改。