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超高強(qiáng)度鋼
用于航空航天領(lǐng)域的合金鋼
超高強(qiáng)度鋼是用于制造承受較高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件的一類合金鋼。一般屈 服強(qiáng)度大于1180MPa，抗拉強(qiáng)度大于1380MPa這類鋼一般具有足夠的韌性及較高的比強(qiáng)度和屈強(qiáng)比，還有良好的焊接性和成形性。按照合金化程度和顯微組織，可分為低合金、中合金和高合金超高強(qiáng)度鋼三類。
基本信息
| 中文名 | 超高強(qiáng)度鋼 |
| 外文名 | ultra highstrength steel |
| 分類 | 低合金 中合金 高合金 |
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 航空航天等 |
| 抗拉強(qiáng)度 | 大于1380MPa |
| 產(chǎn)品 | SiMnMoV SiMnCrMoV |
| 類型 |
收起
榮譽(yù)
生產(chǎn)工藝
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。控制夾雜物形態(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晶體擴(kuò)展，當(dāng)經(jīng)過界面時(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。長期以來，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%。
主要類別
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(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。
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/mm。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/mm，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(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/mm。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。鋼的強(qiáng)化是通過固溶處理、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。
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年美國國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，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(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，延長飛機(jī)使用壽命。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
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