超高強(qiáng)度鋼發(fā)展歷史

早在20世紀(jì)40年代中期，由于航空和航天技術(shù)發(fā)展的需要，為了減輕飛行器自重，提高飛行速度，要求結(jié)構(gòu)材料必須具有更高的比強(qiáng)度。為此，美國(guó)人在AISI4130和4340鋼的基礎(chǔ)上，改變熱處理工藝，采用淬火加低溫回火，獲得回火馬氏體組織，使鋼的抗拉強(qiáng)度提高到1600MPa以上。用于制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)件，對(duì)減輕飛行器自重取得了明顯成效。20世紀(jì)50年代以后，在提高鋼的強(qiáng)度和改善鋼的韌性方面不斷取得新進(jìn)展，相繼研制成功300M，D6AC和H-11等超高強(qiáng)度鋼。1960年美國(guó)國(guó)際鎳公司研制出馬氏體時(shí)效鋼，并逐步形成18Ni馬氏體時(shí)效鋼系列，屈服強(qiáng)度分別為1400MPa、1700MPa、2100MPa和2400MPa，其斷裂韌性達(dá)到較高的水平。20世紀(jì)70年代以后，超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展主要是提高韌性。在9NiCo系列之后，美國(guó)在Hy180鋼的基礎(chǔ)上，又研制成功AF1410二次硬化超高強(qiáng)度鋼，該鋼采用低碳馬氏體和析出合金碳化物彌散強(qiáng)化效應(yīng)，不僅強(qiáng)度高，韌性高，而且具有很高的抗應(yīng)力腐蝕能力。已用于制造飛機(jī)起落架和平尾軸等重要結(jié)構(gòu)部件，受到航空和航天部門的重視和青睞。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，為了適應(yīng)航空工業(yè)的需要，在AF1410鋼的基礎(chǔ)上，美國(guó)研制成功AerMet100，鋼的抗拉強(qiáng)度為1965MPa，斷裂韌性達(dá)到120MN·m抗應(yīng)力腐蝕性能好。用于制造飛機(jī)起落架，將大大提高飛行安全可靠性，延長(zhǎng)飛機(jī)使用壽命。

中國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始試制超高強(qiáng)度鋼。結(jié)合國(guó)內(nèi)資源條件先后研制成功35Si2Mn2MoVA，40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高強(qiáng)度鋼，這些材料已經(jīng)用于制造飛機(jī)起落架和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等重要部件。1980年以后采用真空冶煉技術(shù)，提高了鋼的純度，先后試制成功40CrNi2Si2MoVA、45CrNiMo1VA和18Ni馬氏體時(shí)效鋼等。超高強(qiáng)度鋼的研制和應(yīng)用均取得了顯著的進(jìn)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，在新材料和新工藝的研究方面，不斷有新的突破，航空和航天用高斷裂韌性超高強(qiáng)度鋼的研制和應(yīng)用均取得了新進(jìn)展。

按照合金化程度及顯微組織，超高強(qiáng)度鋼可分為低合金、中合金和高合金超高強(qiáng)度鋼三類。在高合金超高強(qiáng)度鋼中又有馬氏體時(shí)效鋼和沉淀硬化不銹鋼等。

低合金鋼

是由調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展起來(lái)的，含碳量一般在0.3～0.5%，合金元素總含量小于5%，其作用是保證鋼的淬透性，提高馬氏體的抗回火穩(wěn)定性和抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化鋼的顯微組織。常用元素有鎳、鉻、硅、錳、鉬、釩等。通常在淬火和低溫回火狀態(tài)下使用，顯微組織為回火板條馬氏體，具有較高的強(qiáng)度和韌性。如采用等溫淬火工藝，可獲得下貝氏體組織或下貝氏體與馬氏體的混合組織，也可改善韌性。這類鋼合金元素含量低，成本低，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，廣泛用于制造飛機(jī)大梁、起落架構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)軸、高強(qiáng)度螺栓、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和化工高壓容器等。

中合金鋼

熱作模具鋼的改型鋼，典型鋼種有4Cr5MoSiV鋼。這類鋼的含碳量約0.4%，合金元素總含量約8%，具有較高的淬透性，一般零件經(jīng)高溫奧氏體化后，空冷即可獲得馬氏體組織，500～550℃回火時(shí)，由于碳化物沉淀產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，而達(dá)到較高的強(qiáng)度。這類鋼的特點(diǎn)是回火穩(wěn)定性高，在500℃左右條件下使用，仍有較高的強(qiáng)度，一般用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件。

馬氏體時(shí)效鋼

典型鋼種有18Ni馬氏體時(shí)效鋼，含碳小于0.03%，鎳約18%，鈷8%。根據(jù)鉬和鈦含量不同，鋼的屈服強(qiáng)度分別可達(dá)到140、175和210kgf/mm²。從820～840℃固溶處理冷卻到室溫時(shí)，轉(zhuǎn)變成微碳Fe-Ni馬氏體組織，其韌性較Fe-C馬氏體為高，通過(guò)450～480℃時(shí)效，析出部分共格金屬間化合物相（Ni3Ti、Ni3Mo），達(dá)到較高的強(qiáng)度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，并在冷卻到室溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體，而具有較高的塑性。同時(shí)鎳也是時(shí)效強(qiáng)化元素。鈷能使鋼的馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。這類鋼的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，韌性高，屈強(qiáng)比高，焊接性和成形性良好；加工硬化系數(shù)小，熱處理工藝簡(jiǎn)單，尺寸穩(wěn)定性好，常用于制造航空器、航天器構(gòu)件和冷擠、冷沖模具等。

Ni-4Co型鋼

含9%鎳使鋼固溶強(qiáng)化和提高韌性，加 4%鈷的作用在于盡量減少鋼中殘留奧氏體量，鉬和鉻是為了產(chǎn)生沉淀硬化效應(yīng)。含碳 0.20～0.30%時(shí)，抗拉強(qiáng)度可達(dá)130～160kgf/mm²，斷裂韌度達(dá)400kgf/mm幫以上。綜合性能好，抗應(yīng)力腐蝕性高，具有良好的工藝性能，常用于航空、航天工業(yè)。

沉淀硬化鋼

簡(jiǎn)稱PH不銹鋼，是在不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的具有抗腐蝕性能的超高強(qiáng)度鋼。合金元素總含量約為22～25%。按高溫固溶處理后冷至室溫時(shí)顯微組織的不同，可分為奧氏體型、半奧氏體型和馬氏體型三類。典型鋼種有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al，抗拉強(qiáng)度約為160kgf/mm²。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。鋼的強(qiáng)化是通過(guò)固溶處理、冷處理或形變后再時(shí)效，析出彌散沉淀相而實(shí)現(xiàn)的。這類鋼主要用于制造高應(yīng)力耐腐蝕的化工設(shè)備零件、航空器結(jié)構(gòu)件和高壓容器等。

超高強(qiáng)度鋼對(duì)冶金質(zhì)量要求高，通常采用電弧爐和電渣重熔冶煉。要求純度高的鋼種，多采用真空感應(yīng)爐或真空自耗電弧爐冶煉。中、低合金超高強(qiáng)度鋼在熱處理時(shí)應(yīng)防止脫碳；馬氏體時(shí)效鋼和沉淀硬化不銹鋼，可以用普通加熱爐固溶處理。焊接時(shí)須采用保護(hù)氣體焊接或采用鎢極氬弧焊接。某些含碳較高的（0.4%左右）低合金超高強(qiáng)度鋼，焊接后應(yīng)立即進(jìn)行去應(yīng)力退火。

（1）冶煉。采用真空冶煉工藝提高鋼的純凈度是改善超高強(qiáng)度鋼性能的重大技術(shù)措施。真空冶煉主要是降低鋼中的氣體和非金屬夾雜物含量。40CrNi2MoA鋼采用真空冶煉，使鋼中氫、氧和氮含量比電弧爐冶煉分別降低50%、85%和70%。由于冶金質(zhì)量改善，從而使鋼的斷裂韌性明顯地提高。

（2）夾雜物形態(tài)控制?？刂茒A雜物形態(tài)能有效地改善超高強(qiáng)度鋼的斷裂韌性。為了提高斷裂韌性首先要對(duì)硫和磷要有嚴(yán)格的限制，采用冶煉工藝要最大限度地降低鋼中硫和磷含量。

（3）熱處理。改變熱處理工藝是提高斷裂韌性經(jīng)常采用的一種有效手段。超高強(qiáng)度鋼采用1200℃高溫淬火，鋼中奧氏體晶粒尺寸增大，顯微組織中板條馬氏體量增多，馬氏體板條邊界形成有殘留奧氏體薄膜。這些因素都能使鋼的斷裂韌性提高。但是由于粗大晶粒降低沖擊韌性，因而在生產(chǎn)中難以推廣應(yīng)用。

等溫淬火是經(jīng)常采用的一種超高強(qiáng)度鋼熱處理工藝。采用不同的等溫溫度可獲得下貝氏體或下貝氏體與馬氏體混合組織。這種顯微組織在受力條件下裂紋在邊界形核并穿過(guò)晶體擴(kuò)展，當(dāng)經(jīng)過(guò)界面時(shí)裂紋擴(kuò)展改變方向，使消耗能量增多，斷裂韌性提高。如表4所示，40CrNi2Si2MoVA鋼采用250～300℃等溫淬火，斷裂韌性提高23%，應(yīng)力腐蝕界限強(qiáng)度因子提高10%。

（4）形變熱處理。形變熱處理是將變形強(qiáng)化與相變強(qiáng)化相結(jié)合的綜合強(qiáng)化工藝。長(zhǎng)期以來(lái)，形變熱處理已經(jīng)廣泛用于提高超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度和韌性。通常多采用高溫形變熱處理，即在奧氏體再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行形變，隨后淬火得到馬氏體組織，再進(jìn)行回火處理。由于形變后淬火形成細(xì)小馬氏體，位錯(cuò)密度明顯增加，并加速合金碳化物彌散析出。因而不僅強(qiáng)度提高，而且主要是塑性和韌性明顯改善。

低溫形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體溫度后，急冷到亞穩(wěn)奧氏體區(qū)（500～600℃）進(jìn)行變形加工，隨后淬火的熱處理工藝。該工藝要求鋼的淬透性高，過(guò)冷奧氏體在中溫形變區(qū)穩(wěn)定性大。一般形變量在60%以上。形變溫度愈低，形變量增大，則鋼中馬氏體組織更細(xì)，位錯(cuò)密度增加，因此，強(qiáng)化效果更為明顯。4Cr5MoVSi鋼經(jīng)低溫形變熱處理后，抗拉強(qiáng)度可達(dá)到2500MPa以上，疲勞強(qiáng)度極限提高20%～26%。

2018年2月，研發(fā)出基于共格納米析出強(qiáng)化的新一代超高強(qiáng)鋼，榮獲科技部2017年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展。

中文名稱

中合金超高強(qiáng)度鋼

英文名稱

medium alloy ultra-high strength steel

定　　義

合金元素含量在5%~10%的中碳超高強(qiáng)度鋼。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），金屬材料（二級(jí)學(xué)科），鋼鐵材料（三級(jí)學(xué)科），鋼鐵材料品種（四級(jí)學(xué)科）

高合金超高強(qiáng)度鋼是合金元素含量大于10%的超高強(qiáng)度鋼。常見(jiàn)的有二次硬化鋼、沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時(shí)效鋼等。

中文名稱

高合金超高強(qiáng)度鋼

英文名稱

high alloy ultra-high strength steel

定　　義

合金元素含量大于10%的超高強(qiáng)度鋼。常見(jiàn)的有二次硬化鋼、沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時(shí)效鋼等。

應(yīng)用學(xué)科

材料科學(xué)技術(shù)（一級(jí)學(xué)科），金屬材料（二級(jí)學(xué)科），鋼鐵材料（三級(jí)學(xué)科），鋼鐵材料品種（四級(jí)學(xué)科）