[科普中国]-超高强度钢

简史

早在20世纪40年代中期，由于航空和航天技术发展的需要，为了减轻飞行器自重，提高飞行速度，要求结构材料必须具有更高的比强度。为此，美国人在AISI4130和4340钢的基础上，改变热处理工艺，采用淬火加低温回火，获得回火马氏体组织，使钢的抗拉强度提高到1600MPa以上。用于制造飞机结构件，对减轻飞行器自重取得了明显成效。20世纪50年代以后，在提高钢的强度和改善钢的韧性方面不断取得新进展，相继研制成功300M，D6AC和H-11等超高强度钢。1960年美国国际镍公司研制出马氏体时效钢，并逐步形成18Ni马氏体时效钢系列，屈服强度分别为1400MPa、1700MPa、2100MPa和2400MPa，其断裂韧性达到较高的水平。20世纪70年代以后，超高强度钢的发展主要是提高韧性。在9NiCo系列之后，美国在Hy180钢的基础上，又研制成功AF1410二次硬化超高强度钢，该钢采用低碳马氏体和析出合金碳化物弥散强化效应，不仅强度高，韧性高，而且具有很高的抗应力腐蚀能力。已用于制造飞机起落架和平尾轴等重要结构部件，受到航空和航天部门的重视和青睐。进入20世纪90年代以来，为了适应航空工业的需要，在AF1410钢的基础上，美国研制成功AerMet100，钢的抗拉强度为1965MPa，断裂韧性达到120MN·m抗应力腐蚀性能好。用于制造飞机起落架，将大大提高飞行安全可靠性，延长飞机使用寿命。

中国从20世纪50年代开始试制超高强度钢。结合国内资源条件先后研制成功35Si2Mn2MoVA，40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高强度钢，这些材料已经用于制造飞机起落架和固体火箭发动机壳体等重要部件。1980年以后采用真空冶炼技术，提高了钢的纯度，先后试制成功40CrNi2Si2MoVA、45CrNiMo1VA和18Ni马氏体时效钢等。超高强度钢的研制和应用均取得了显著的进展。进入20世纪90年代以来，在新材料和新工艺的研究方面，不断有新的突破，航空和航天用高断裂韧性超高强度钢的研制和应用均取得了新进展。

类别按照合金化程度及显微组织，超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金超高强度钢三类。在高合金超高强度钢中又有马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢等。

低合金超高强度钢是由调质结构钢发展起来的，含碳量一般在0.3～0.5%，合金元素总含量小于5%，其作用是保证钢的淬透性，提高马氏体的抗回火稳定性和抑制奥氏体晶粒长大，细化钢的显微组织。常用元素有镍、铬、硅、锰、钼、钒等。通常在淬火和低温回火状态下使用，显微组织为回火板条马氏体，具有较高的强度和韧性。如采用等温淬火工艺，可获得下贝氏体组织或下贝氏体与马氏体的混合组织，也可改善韧性。这类钢合金元素含量低，成本低，生产工艺简单，广泛用于制造飞机大梁、起落架构件、发动机轴、高强度螺栓、固体火箭发动机壳体和化工高压容器等。

中合金超高强度钢热作模具钢的改型钢，典型钢种有4Cr5MoSiV钢。这类钢的含碳量约0.4%，合金元素总含量约8%，具有较高的淬透性，一般零件经高温奥氏体化后，空冷即可获得马氏体组织，500～550℃回火时，由于碳化物沉淀产生二次硬化效应，而达到较高的强度。这类钢的特点是回火稳定性高，在500℃左右条件下使用，仍有较高的强度，一般用于制造飞机发动机零件。

马氏体时效钢典型钢种有18Ni马氏体时效钢，含碳小于0.03%，镍约18%，钴8%。根据钼和钛含量不同，钢的屈服强度分别可达到140、175和210kgf/mm2。从820～840℃固溶处理冷却到室温时，转变成微碳Fe-Ni马氏体组织，其韧性较Fe-C马氏体为高，通过450～480℃时效，析出部分共格金属间化合物相（Ni3Ti、Ni3Mo），达到较高的强度。镍可使钢在高温下得到单相奥氏体，并在冷却到室温时转变为单相马氏体，而具有较高的塑性。同时镍也是时效强化元素。钴能使钢的马氏体开始转变温度升高，避免形成大量残留奥氏体。这类钢的特点是强度高，韧性高，屈强比高，焊接性和成形性良好；加工硬化系数小，热处理工艺简单，尺寸稳定性好，常用于制造航空器、航天器构件和冷挤、冷冲模具等。

Ni-4Co型超高强度钢含9%镍使钢固溶强化和提高韧性，加 4%钴的作用在于尽量减少钢中残留奥氏体量，钼和铬是为了产生沉淀硬化效应。含碳 0.20～0.30%时，抗拉强度可达130～160kgf/mm2，断裂韧度达400kgf/mm帮以上。综合性能好，抗应力腐蚀性高，具有良好的工艺性能，常用于航空、航天工业。

沉淀硬化不锈钢简称PH不锈钢，是在不锈钢的基础上发展起来的具有抗腐蚀性能的超高强度钢。合金元素总含量约为22～25%。按高温固溶处理后冷至室温时显微组织的不同，可分为奥氏体型、半奥氏体型和马氏体型三类。典型钢种有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al，抗拉强度约为160kgf/mm2。这类钢有良好的耐蚀性、抗氧化性。钢的强化是通过固溶处理、冷处理或形变后再时效，析出弥散沉淀相而实现的。这类钢主要用于制造高应力耐腐蚀的化工设备零件、航空器结构件和高压容器等。2

生产工艺超高强度钢对冶金质量要求高，通常采用电弧炉和电渣重熔冶炼。要求纯度高的钢种，多采用真空感应炉或真空自耗电弧炉冶炼。中、低合金超高强度钢在热处理时应防止脱碳；马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢，可以用普通加热炉固溶处理。焊接时须采用保护气体焊接或采用钨极氩弧焊接。某些含碳较高的（0.4%左右）低合金超高强度钢，焊接后应立即进行去应力退火。

（1）冶炼。采用真空冶炼工艺提高钢的纯净度是改善超高强度钢性能的重大技术措施。真空冶炼主要是降低钢中的气体和非金属夹杂物含量。40CrNi2MoA钢采用真空冶炼，使钢中氢、氧和氮含量比电弧炉冶炼分别降低50%、85%和70%。由于冶金质量改善，从而使钢的断裂韧性明显地提高。

（2）夹杂物形态控制。控制夹杂物形态能有效地改善超高强度钢的断裂韧性。为了提高断裂韧性首先要对硫和磷要有严格的限制，采用冶炼工艺要最大限度地降低钢中硫和磷含量。

（3）热处理。改变热处理工艺是提高断裂韧性经常采用的一种有效手段。超高强度钢采用1200℃高温淬火，钢中奥氏体晶粒尺寸增大，显微组织中板条马氏体量增多，马氏体板条边界形成有残留奥氏体薄膜。这些因素都能使钢的断裂韧性提高。但是由于粗大晶粒降低冲击韧性，因而在生产中难以推广应用。

等温淬火是经常采用的一种超高强度钢热处理工艺。采用不同的等温温度可获得下贝氏体或下贝氏体与马氏体混合组织。这种显微组织在受力条件下裂纹在边界形核并穿过晶体扩展，当经过界面时裂纹扩展改变方向，使消耗能量增多，断裂韧性提高。如表4所示，40CrNi2Si2MoVA钢采用250～300℃等温淬火，断裂韧性提高23%，应力腐蚀界限强度因子提高10%。

（4）形变热处理。形变热处理是将变形强化与相变强化相结合的综合强化工艺。长期以来，形变热处理已经广泛用于提高超高强度钢的强度和韧性。通常多采用高温形变热处理，即在奥氏体再结晶温度以上进行形变，随后淬火得到马氏体组织，再进行回火处理。由于形变后淬火形成细小马氏体，位错密度明显增加，并加速合金碳化物弥散析出。因而不仅强度提高，而且主要是塑性和韧性明显改善。

低温形变热处理是将钢加热到奥氏体温度后，急冷到亚稳奥氏体区（500～600℃）进行变形加工，随后淬火的热处理工艺。该工艺要求钢的淬透性高，过冷奥氏体在中温形变区稳定性大。一般形变量在60%以上。形变温度愈低，形变量增大，则钢中马氏体组织更细，位错密度增加，因此，强化效果更为明显。4Cr5MoVSi钢经低温形变热处理后，抗拉强度可达到2500MPa以上，疲劳强度极限提高20%～26%。