超高強度鋼發(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度。為此，美國人在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，使鋼的抗拉強度提高到1600MPa以上。用于制造飛機結(jié)構(gòu)件，對減輕飛行器自重取得了明顯成效。20世紀(jì)50年代以后，在提高鋼的強度和改善鋼的韌性方面不斷取得新進展，相繼研制成功300M，D6AC和H-11等超高強度鋼。1960年美國國際鎳公司研制出馬氏體時效鋼，并逐步形成18Ni馬氏體時效鋼系列，屈服強度分別為1400MPa、1700MPa、2100MPa和2400MPa，其斷裂韌性達到較高的水平。20世紀(jì)70年代以后，超高強度鋼的發(fā)展主要是提高韌性。在9NiCo系列之后，美國在Hy180鋼的基礎(chǔ)上，又研制成功AF1410二次硬化超高強度鋼，該鋼采用低碳馬氏體和析出合金碳化物彌散強化效應(yīng)，不僅強度高，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。進入20世紀(jì)90年代以來，為了適應(yīng)航空工業(yè)的需要，在AF1410鋼的基礎(chǔ)上，美國研制成功AerMet100，鋼的抗拉強度為1965MPa，斷裂韌性達到120MN·m抗應(yīng)力腐蝕性能好。用于制造飛機起落架，將大大提高飛行安全可靠性，延長飛機使用壽命。

中國從20世紀(jì)50年代開始試制超高強度鋼。結(jié)合國內(nèi)資源條件先后研制成功35Si2Mn2MoVA，40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高強度鋼，這些材料已經(jīng)用于制造飛機起落架和固體火箭發(fā)動機殼體等重要部件。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馬氏體時效鋼等。超高強度鋼的研制和應(yīng)用均取得了顯著的進展。進入20世紀(jì)90年代以來，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度鋼的研制和應(yīng)用均取得了新進展。

按照合金化程度及顯微組織，超高強度鋼可分為低合金、中合金和高合金超高強度鋼三類。在高合金超高強度鋼中又有馬氏體時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大，細化鋼的顯微組織。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)工藝簡單，廣泛用于制造飛機大梁、起落架構(gòu)件、發(fā)動機軸、高強度螺栓、固體火箭發(fā)動機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，由于碳化物沉淀產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)，而達到較高的強度。這類鋼的特點是回火穩(wěn)定性高，在500℃左右條件下使用，仍有較高的強度，一般用于制造飛機發(fā)動機零件。

馬氏體時效鋼

典型鋼種有18Ni馬氏體時效鋼，含碳小于0.03%，鎳約18%，鈷8%。根據(jù)鉬和鈦含量不同，鋼的屈服強度分別可達到140、175和210kgf/mm²。從820～840℃固溶處理冷卻到室溫時，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450～480℃時效，析出部分共格金屬間化合物相（Ni3Ti、Ni3Mo），達到較高的強度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，并在冷卻到室溫時轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體，而具有較高的塑性。同時鎳也是時效強化元素。鈷能使鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。這類鋼的特點是強度高，韌性高，屈強比高，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，抗拉強度可達130～160kgf/mm²，斷裂韌度達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

簡稱PH不銹鋼，是在不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有抗腐蝕性能的超高強度鋼。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，抗拉強度約為160kgf/mm²。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。鋼的強化是通過固溶處理、冷處理或形變后再時效，析出彌散沉淀相而實現(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。

超高強度鋼對冶金質(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、低合金超高強度鋼在熱處理時應(yīng)防止脫碳；馬氏體時效鋼和沉淀硬化不銹鋼，可以用普通加熱爐固溶處理。焊接時須采用保護氣體焊接或采用鎢極氬弧焊接。某些含碳較高的（0.4%左右）低合金超高強度鋼，焊接后應(yīng)立即進行去應(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度鋼的斷裂韌性。為了提高斷裂韌性首先要對硫和磷要有嚴(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晶體擴展，當(dāng)經(jīng)過界面時裂紋擴展改變方向，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)力腐蝕界限強度因子提高10%。

（4）形變熱處理。形變熱處理是將變形強化與相變強化相結(jié)合的綜合強化工藝。長期以來，形變熱處理已經(jīng)廣泛用于提高超高強度鋼的強度和韌性。通常多采用高溫形變熱處理，即在奧氏體再結(jié)晶溫度以上進行形變，隨后淬火得到馬氏體組織，再進行回火處理。由于形變后淬火形成細小馬氏體，位錯密度明顯增加，并加速合金碳化物彌散析出。因而不僅強度提高，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，位錯密度增加，因此，強化效果更為明顯。4Cr5MoVSi鋼經(jīng)低溫形變熱處理后，抗拉強度可達到2500MPa以上，疲勞強度極限提高20%～26%。

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

中文名稱

中合金超高強度鋼

英文名稱

medium alloy ultra-high strength steel

定　　義

合金元素含量在5%~10%的中碳超高強度鋼。

應(yīng)用學(xué)科

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

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

中文名稱

高合金超高強度鋼

英文名稱

high alloy ultra-high strength steel

定　　義

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

應(yīng)用學(xué)科

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