超高强度钢超高强度钢一般是指屈服强度犬于1380MPa的高强度结构钢20世纪40年代中期, 美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600〜1900MPa50年代 以后，相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢，如300M、D6AC和H - 11钢等60 年代研制成功马氏体时效钢，逐步形成18Ni马氏体时效钢系列，70年代中期，美国研制成 功高纯度HP310钢，抗拉强度达到2200MPao法国研制的35NCD16钢,抗拉强度人于1850MPa, 而断裂韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进80年代初，美国研制成功AF1410 -次硬化 型超高强度钢，在抗拉强度为1860MPa时，钢的断裂韧度达到160 MPa - Vw以上，AF1410 钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料中国于50年代初研制成功30Cr\InSiNi2A超高强度钢，抗拉强度为1700MPa°70年代初, 结合中国资源条件，研制成功32Si2Mn2MoVA和40CrMnSiMoVA(GC — 4)钢1980年以来，从 国外引进新技术，采用真空冶炼新工艺，先后研制成功45CrNiMoVA (D6AC)、 34Si2MnCrMoVA (406A)、35CrNi4MoA. 40CrNi2Si2MoVA(300M)和 18Ni 马氏体时效钢，成功 地用于制做飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩铀离心机简体等。
目前超高强度钢 已形成不同强度级别系列，在国防工业和经济建设中发挥着重要的作用现在，以改变合金成分提高超高强度钢的强度和韧性已很困难发展超高强度钢的主要 方向是开发新工艺、新技术，提高冶金质量，如采用真空冶炼技术，最人限度降低钢中气体 和杂质元素含屋，研制超纯净超高强度钢；通过多向锻造和形变热处理，改变钢的组织结构 和细化晶粒尺寸，从而提高钢的强度和韧性，例如正在发展的相变诱发塑性钢(TRIP钢)等一超高强度钢的合金成分、组织和特性(1) 中碳低合金超高强度钢此类钢是通过淬火和回火处理获得较高的强度和韧性，钢的 强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度含碳量増加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应 降低因此，在保证足够强度的原则卞，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在0.30〜 0.45%钢中合金元素总量约在5%左右，Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透 性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo. W和v的主要作用是提高 钢的抗回火能力和细化晶粒等几种典型钢种的化学成分如表2・12. 1低令仝超亦强废悔的化学成分« 种CSiMnCrNiMoVSp3OCrMnSiN»2A0・29bll1- 1?1-0]1.58——a oi2G・ 02540CrNi2Si2MoVA0・381.660. ?70・871.800.430. 07a oo30.00545CrNiMcVA0.47Q.310. T41.060. 571.010.110.010o.on35CrNi4MoA0.350. 300.451.803.85045—0. 0C60.0]534S4QWA0.331.600-S51.160.190.520.120. 0C50.015该类钢通过淬火处理，在Ms点温度以下发生无扩散相变，形成马氏体组织。
采用适宜 的温度进行回火处理，析出£ 一碳化物，改善钢的韧性，获得强度和韧性的最佳配合提高 回火温度(250-450°C回火)时，板条马氏体的£ 一碳化物发生转变和残留奥氏体分解形成 Fe3C渗碳体，钢的韧性明显下降，此现彖称为回火马氏体脆性产生此种回火脆性的原因 主要是由于钢中的硫、磷等杂质元素在奥氏体晶界偏聚和渗碳体沿晶界分布，降低了晶界结 合强度300M钢等含有1.5%硅，能有效地仰制£ 一碳化物转变和残留奥氏体分解，使钢的 回火马氏体脆性温度提高到350〜500^ o硅在钢中只能提高回火马氏体脆性区的温度，但 并不能减轻或消除此种脆性因此，只有降低钢中硫、磷等杂质元素的含量才能有效地消除 超高强度钢的回火马氏体脆性中国研制的40CrNi2Si2MoVA钢是一种强度高，纯洁度要求严的低合金超高强度钢采 用精炼脱硫的原材料，经过真空感应炉和真空白耗炉两次真空冶炼工艺，钢中硫和磷含量分 别降低到0. 002〜0. 003%和0. 005〜0. 008%,明显改善了大截面锻件的横向塑性和韧性 在抗张强度为1925MPa条件下，钢的断裂韧度达到85. IMPaJm经疲劳试验证明，用于制 造飞机起落架可使寿命延长三倍以上，达到起落架与飞机机体同寿命的世界先进水平。
45CrNiMoVA和34Si2MnCrMoVA钢采用真空冶炼工艺，提高了钢的冶金质量当抗张强 度在1600和1800MPa条件下,其断裂韧度分别达到105和93. 6MPa 用于制造中远程和近程固体燃料火箭发动机壳体取得了良好的效果2）~-次硬化钢H-11钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢钢的含碳量约 0. 40%,含銘5%钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件卞即可获得马氏体组织经500C 回火时，析出M2C（M表金属元素）和V4C3,产生二次硬化效应，钢的强度达到1962MPa以上 该类钢具有较高的中温强度，除用于制做热作模具外还制做飞机发动机后框架等，在400〜 500°C工作条件下能承受较高的应力9Ni-4Co系列钢是高韧性超高强度钢，按照强度级别含碳量范W 0. 20〜0.45%,通常使 用的有HP9—4—20和HP9—4—30,含碳量分别为0. 20%和0. 30%该类钢经820°C加热后 油淬，450〜550°C回火，抗张强度为1400〜1600MPa,断裂韧度达到90MPa Vm以上AF1410钢近年来受到了航空和航天部门的极大重视，该类钢含有H、CCr和M等合 金元素（表2・12. 2）,经固溶和油淬处理形成高位错密度板条马氏体，在板条边界分布有 少量残留奥氏体。
时效处理析出弥散分布的合金碳化物，从而获得高强度和高韧性从表 2 -12 -2看出，钢中琉、磷含屋控制到极低的水平，氮和氧分别为3ppm和7ppm因此AF1410 钢必须选用低硫、磷精料，采用真空感应和真空自耗重熔双联工艺，获得超纯净钢经油淬 和时效处理，抗拉强度为1620MPa,断裂韧度达到190 MPa・J齐加入稀土金属可改变非 金属夹杂物的形态和分布，进一步提高钢的韧性AF1410钢不仅强度高，韧性好，可焊性 好，并且具有较高的抗应力腐蚀性能AF1410钢的化学成分合金元索CCoNiCrMoSpoNAlLawt%0 1.614010121100. 010. 040. 0070. 0030. 030. 08（3）马氏体时效钢该类钢含碳量极低，含有18〜25%N1O当加热到高温时得到稳定的奥 氏体组织，在空冷条件卞可完全转变形成微碳马氏体Co在钢中的作用是提高Ms点，减 少残留奥氏体量，降低Mo在马氏体中的固溶度，增加Mo的沉淀强化效应马氏体时效钢 经固溶和时效处理，析出金属间化合物N13MNi3Ti和N13A1等产生弥散强化效应其中 性能好，使用最广泛的是18N1马氏体时效钢根据Mo和T1含量不同，可获得几种强度级 别的钢种（表2. 12・3）。
成 分CNiCoMoTiAl187(200〉<0. 0318& 53.30. 20.118NK25O)<0. 0318& 55.00.40. 118Ni(300)<0. 03189.05.00.70. 118Ni(350)<0. 031812.54.21.60. 1马氏体时效钢在固溶处理后为超低碳马氏体组织，加工硕化指数低，冷加工成型性好 在固溶状态下可焊性好，采用鹄极氮气保护焊不需要预热和后热热处理时零件变形小，尺 寸稳 定但合金元素含量高致使钢的成本增高马氏体时效钢具有独特的优点，在较高的 强度条件下使用安全可靠性好，固体火箭发动机壳体用18Ni马氏体时效钢，使用强度为 1750MPa,浓缩铀离心分离机旋转简体用马氏体时效钢，使用强度达到2450MPao二超高强度钢的力学性能(1) 超高强度钢的断裂韧性 表2・12・4列出了几种典型超高强度钢的强度和韧性过 去，随着使用强度不断提高，超高强度钢对缺I I和裂纹的敏感性增人70年代初，随着断 裂力学的发展，断裂韧度己成为衡量超高强度钢韧性的重要指标一般來说，钢的强度提高, 往往断裂韧度降低如200级18Ni马氏体时效钢，当加载到钢的屈服强度时，不发生脆性 断裂的部件表面允许存在的临界裂纹尺寸为8mmo如果选用350级马氏体时效钢，当加载到 屈服强度时，不发生脆性断裂允许存在的裂纹尺寸只有0.25mm。
如此微小的裂纹用无损探 伤的方法是很难发现的因而就有发生低应力脆性破断的危险只有提高钢的断裂韧度，增 加部件中容许存在的临界裂纹尺寸，才能提高钢的使用应力，充分发挥材料的潜力2>12>4 的力学性離fi ft6处理工艺(250)810-csim480-C时效18001700&055—12018Ni(3O0>840V iffl®48O*C眄戏205020007.040—】8Ni<350>840CR13?48OC时效2< 5024006.02S—35〜50AF1410823'Cia 淬510L时炊18S5171516-568・588196钢的断裂韧度取决于合金成分、组织结构和冶金质量。
图2・12. 1为几种超高强度钢 的断裂韧度(KIc)与抗拉强度(o b)的对应关系nJ以看出，材料的断裂韧度随抗拉强度升高 而降低在相同的强度水平时，马氏体时效钢的断裂韧度最高不断提高超高强度钢的断裂韧度仍 然是材料研究的一项重要任务图2・12・1几种超高强度钢的（KC与（6）对应关系（2）超高强度钢的抗腐蚀性能在介质坏境中外加负荷远低于材料的过载断裂应力时超高强 度钢就会发生应力腐蚀滞后脆性断裂超高强度钢在水介质中的应力腐蚀是氢致开裂过程， 它受材料和坏境中的氢所控制裂纹前沿的氢离子得到电子后生成氢原子进入钢中由于应 力诱导扩散，氢原子向裂纹尖端最大三。