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1、超高强度钢超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。0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16001900MPa。50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H11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2200MPa。法国研制的35NCD16钢，抗拉强度大于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 二次硬化 型超高强度钢，在抗拉强度为1860MP
2、a时，钢的断裂韧度达到160 MPaY丁以上，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30CrMnSiNi2A超高强度钢，抗拉强度为1700MPa70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
3、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，最大限度降低钢中气体 和杂质元素含量，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。含碳量增加，钢的强度升高
4、；而塑性和韧性相应 降低。因此，在保证足够强度的原则下，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，M。、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2 121。低合金超爲蛋屢锯的n学底分輕种CSiMuCtMiMaVSL 11b 1?】QLL58o. tngLIJ25人机iQ. 77o- firb帥D.Q 帼D. OCCl 310- 741. 01队11C-010o-on35CrhTi4MoAa at-集羽缶朋0.
5、45罠网a-on1-wQu 83L ISCL诺0- 32Q-12：山册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(250450C回火)时，板条马氏体的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，此现象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350500C。
6、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0.0020.003%和0.0050.008%，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85.1MPaVm。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。45Cr
7、NiMoVA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 Vmo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）二-次硬化钢H11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%，含铬5%。钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件下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
8、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围0.200.45%,通常使 用的有HP9420和HP9430,含碳量分别为0.20%和0.30%。该类钢经820C加热后 油淬，450550C回火，抗张强度为14001600MPa,断裂韧度达到90MPaVm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M、Co、Cr和Mo等合 金元素（表212. 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 2122看出，钢中琉、磷含量控制到极低的水平
9、，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匸。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。AF141O4H的化学成分合金元索CCoNiCrMoSFONA!La丹略lr 614010;0100, 010. 040. 007 0. 003a 0308（3）马氏体时效钢该类钢含碳量极低，含有1825%Ni。当加热到高温时得到稳定的奥 氏体组织，在空
10、冷条件下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Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3A1等产生弥散强化效应。其中 性能好，使用最广泛的是18Ni马氏体时效钢。根据Mo和Ti含量不同，可获得几种强度级 别的钢种（表2. 123）。成分CNiCoMoTiAl18Ni(200)0. 03U8- 53- 32CL 118Ni250)0- 03IB乩55- 0CL 40- 118Ni(3OO)0- 03IS乩00- 70. 118NK35O)8S19钢的断裂韧度取决于合金成分
11、、组织结构和冶金质量。图212.1为几种超高强度钢 的断裂韧度(KIc)与抗拉强度(ob)的对应关系。可以看出，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。160120D6A8040(MP马氏体时效钢图212-1几种超高强度掏的“心与(m对应关系22502UOO175015004340(2) 超高强度钢的抗腐蚀性能 在介质环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 它受材料和环境中的氢所控制。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向应力处集聚，当富集的氢浓度达到某临界值时，材 料就会发生滞后塑性变形，从而导致应力腐蚀裂纹的产生和扩展。材料的应力腐蚀界限强度因子(KIscc)和裂纹扩展速率(da/d t)反应了钢的本质特性， 它主要取决于钢的化学成分、显微组织和冶金质量。如图2. 12, 2所示，钢的KIxc随。0.2 升高而降低。当钢的强度增加，使裂纹尖端的弹性应力场增强，促使氢向裂纹前沿集聚的驱 动力增大，则比较容易达到氢浓度临界值，从而加速裂纹的形核和扩展。选用高韧性材料，
