超高強度鋼

早在20世紀40年代中期，由於航空和航天技術發展的需要，為了減輕飛行器自重，提高飛行速度，要求結構材料必須具有更高的比強度。為此，美國人在AISI4130和4340鋼的基礎上，改變熱處理工藝，採用淬火加低温回火，獲得回火馬氏體組織，使鋼的抗拉強度提高到1600MPa以上。用於製造飛機結構件，對減輕飛行器自重取得了明顯成效。20世紀50年代以後，在提高鋼的強度和改善鋼的韌性方面不斷取得新進展，相繼研製成功300M，D6AC和H-11等超高強度鋼。1960年美國國際鎳公司研製出馬氏體時效鋼，並逐步形成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70年代以後，超高強度鋼的發展主要是提高韌性。在9NiCo系列之後，美國在Hy180鋼的基礎上，又研製成功AF1410二次硬化超高強度鋼，該鋼採用低碳馬氏體和析出合金碳化物彌散強化效應，不僅強度高，韌性高，而且具有很高的抗應力腐蝕能力。已用於製造飛機起落架和平尾軸等重要結構部件，受到航空和航天部門的重視和青睞。進入20世紀90年代以來，為了適應航空工業的需要，在AF1410鋼的基礎上，美國研製成功AerMet100，鋼的抗拉強度為1965MPa，斷裂韌性達到120MN·m抗應力腐蝕性能好。用於製造飛機起落架，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50年代開始試製超高強度鋼。結合國內資源條件先後研製成功35Si2Mn2MoVA，40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高強度鋼，這些材料已經用於製造飛機起落架和固體火箭發動機殼體等重要部件。1980年以後採用真空冶煉技術，提高了鋼的純度，先後試製成功40CrNi2Si2MoVA、45CrNiMo1VA和18Ni馬氏體時效鋼等。超高強度鋼的研製和應用均取得了顯著的進展。進入20世紀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製和應用均取得了新進展。

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澱硬化不鏽鋼等。

是由調質結構鋼發展起來的，含碳量一般在0.3～0.5%，合金元素總含量小於5%，其作用是保證鋼的淬透性，提高馬氏體的抗回火穩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。通常在淬火和低温回火狀態下使用，顯微組織為回火板條馬氏體，具有較高的強度和韌性。如採用等温淬火工藝，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，生產工藝簡單，廣泛用於製造飛機大梁、起落架構件、發動機軸、高強度螺栓、固體火箭發動機殼體和化工高壓容器等。

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，一般零件經高温奧氏體化後，空冷即可獲得馬氏體組織，500～550℃回火時，由於碳化物沉澱產生二次硬化效應，而達到較高的強度。這類鋼的特點是回火穩定性高，在500℃左右條件下使用，仍有較高的強度，一般用於製造飛機發動機零件。

典型鋼種有18Ni馬氏體時效鋼，含碳小於0.03%，鎳約18%，鈷8%。根據鉬和鈦含量不同，鋼的屈服強度分別可達到140、175和210kgf/mm²。從820～840℃固溶處理冷卻到室温時，轉變成微碳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。鎳可使鋼在高温下得到單相奧氏體，並在冷卻到室温時轉變為單相馬氏體，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變温度升高，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；加工硬化係數小，熱處理工藝簡單，尺寸穩定性好，常用於製造航空器、航天器構件和冷擠、冷沖模具等。

含9%鎳使鋼固溶強化和提高韌性，加 4%鈷的作用在於儘量減少鋼中殘留奧氏體量，鉬和鉻是為了產生沉澱硬化效應。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，抗應力腐蝕性高，具有良好的工藝性能，常用於航空、航天工業。

簡稱PH不鏽鋼，是在不鏽鋼的基礎上發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%。按高温固溶處理後冷至室温時顯微組織的不同，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、冷處理或形變後再時效，析出彌散沉澱相而實現的。這類鋼主要用於製造高應力耐腐蝕的化工設備零件、航空器結構件和高壓容器等。 ^[3] 

超高強度鋼對冶金質量要求高，通常採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防止脱碳；馬氏體時效鋼和沉澱硬化不鏽鋼，可以用普通加熱爐固溶處理。焊接時須採用保護氣體焊接或採用鎢極氬弧焊接。某些含碳較高的（0.4%左右）低合金超高強度鋼，焊接後應立即進行去應力退火。

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

（2）夾雜物形態控制。控制夾雜物形態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格的限制，採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常採用的一種有效手段。超高強度鋼採用1200℃高温淬火，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。但是由於粗大晶粒降低衝擊韌性，因而在生產中難以推廣應用。

等温淬火是經常採用的一種超高強度鋼熱處理工藝。採用不同的等温温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並穿過晶體擴展，當經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鋼採用250～300℃等温淬火，斷裂韌性提高23%，應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合的綜合強化工藝。長期以來，形變熱處理已經廣泛用於提高超高強度鋼的強度和韌性。通常多采用高温形變熱處理，即在奧氏體再結晶温度以上進行形變，隨後淬火得到馬氏體組織，再進行回火處理。由於形變後淬火形成細小馬氏體，位錯密度明顯增加，並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。

低温形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體温度後，急冷到亞穩奧氏體區（500～600℃）進行變形加工，隨後淬火的熱處理工藝。該工藝要求鋼的淬透性高，過冷奧氏體在中温形變區穩定性大。一般形變量在60%以上。形變温度愈低，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鋼經低温形變熱處理後，抗拉強度可達到2500MPa以上，疲勞強度極限提高20%～26%。

2018年2月，研發出基於共格納米析出強化的新一代超高強鋼，榮獲科技部2017年度中國科學十大進展。 ^[2]