超高强度钢：性能要求、类别及热处理，应用于高应力结构部件

有一种新发展起来的结构材料，普遍这样认为，把抗拉强度超过1500N/mm2或者屈服强度超过1380N/mm2的合金结构钢称作超高强度钢，超高强度钢是在合金结构钢这一基础上面发展而成的，它主要是用来制造飞机起落架还有主梁，制造固体火箭发动机壳体、高速离心机旋转筒体以及其他承接高应力的结构部件 。

1)性能要求

(1)在静载荷以及动载荷的条件之下，这种钢可以承受很高的工作应力，进而能够减轻结构重量，因为它具备很高的强度、比强度还有疲劳强度。此类钢为确保极高的强度，最大化运用了包括马氏体强化、细晶强化、化合物弥散强化以及溶质固溶强化等多种机制的复合强化作用。

(2)评价超高强度钢韧性的指标一般是断裂韧度，足够的韧性以其作为考量。，高的断裂韧度，能让超高强度钢在复杂环境下承受高的工作应力，防止发生低应力脆断。，改变韧性的关键在于提升钢的纯净度，也就是降低杂质硫、磷质量分数以及非金属夹杂物体积分数，并且细化晶粒，减少对碳的固溶强化的依赖程度，所以超高强度钢通常是中低碳钢，甚至是超低碳钢。

2)类别、典型牌号及热处理

一般而言，超高强度钢会依据化学成分以及强韧化机制来进行分类，具体可分为这四类，分别是低合金超高强度钢，二次硬化型超高强度钢，马氏体时效钢，还有超高强度不锈钢 。

低合金超高强度钢是在合金调质钢的基础上面发展起来的,它的wC是0.30％～0.45％,wMe大概是5％左右。常常加入的合金元素包含Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb、Al、Si、Mn等, 这些元素的作用呢在于提高钢的淬透性、通过固溶来强化、细化晶粒，以及提高回火马氏体与铁素体在稳定性方面的表现。除此之外，Mo能够防止第二类回火脆性的出现，Si能让第一类回火脆性出现的温度朝着高温的方向推移。平常会采用电弧炉或者真空感应炉来进行冶炼，先铸成电极，接着再经过真空自耗重熔这种方式，以此来降低钢里面的气体成分以及非金属夹杂物，进而提高钢的纯净程度，还能改善断裂韧度。经过淬火以及回火，或者等温淬火处理之后，能够获得回火马氏体，或者是下贝氏体加上回火马氏体的混合组织，从而得到高强度以及很不错的韧性。

对这类钢而言，其制造成本比较低 被广泛应用于诸多方面 具有典型代表性的牌号存在30CrMnSiNi2A 32Si2Mn2MoVA 45CrNiMo1VA(D6AC)等等 主要是用来制造飞机结构方面的部件 像主起落架的支柱 轮叉以及机翼主梁 还有固体火箭发动机的壳体 炮筒 高压气瓶以及高强度螺栓这些 。

这是(2)二次硬化型超高强度钢，它是这样的钢种，即通过淬火加上高温回火后，能够析出特殊合金碳化物，进而达到弥散强化也就是二次硬化效果的超高强度钢。它主要涵盖Cr－Mo－V型中碳中合金马氏体热作模具钢。还包括高韧性9Ni－4Co型。以及10Ni－14Co型高韧性超高强度钢。

①H型（Cr－Mo－V型）中合金超高强度钢，是从wCr≈5％的工模具钢移植过来的，它在高温回火时，有很高的强度，还有较满意的塑、韧性，抗热性良好，组织稳定，被用于飞机起落架和骨架零件、炮弹和火箭壳体、高应力螺杆、弹簧以及高速转子和轴等。

较为典型的牌号存在 4Cr5MoSiV(H11)与 4Cr5MoSiV1(H13)两种，它们主要被应用于热挤压的模具方面，以及用于制造飞机、发动机当中承受中温强度的零部件、紧固件这一类物品。4Cr5MoSiV这个钢号属于最早进行生产与使用的，它的淬透性是相当高的，一般的零件在经过 1100℃奥氏体化之后，于空冷的条件下面就能够获取到马氏体组织；再经过 500℃左右的回火，会析出碳化物 Cr7C3以及(Mo，Cr)3C，进而发生二次硬化效应。钢，其抗拉强度能够达成1960N/mm2 ，有着较高的中温强度，它是在400至500℃这个范围之内使用的，在这个温度范围时，钢的瞬时抗拉强度依旧能够维持在1300至1500N/mm2 ，屈服强度大概就是1100至1200N/mm2 。主要被用在热作模具方面。4Cr5MoSiV1钢，是在4Cr5MoSiV的基础之上，提高了C和V的质量分数从而发展起来的。随着V质量分数的增加，让钢中VC的数量增多了，进而提高了耐磨性，而其他性能跟4Cr5MoSiV钢是相似的。

此类钢存在主要缺点，那就是断裂韧度低，所以说，当把用于制造结构件时，且该结构件屈服强度大于1380N/mm2时，情形之下要尤为特别予以重视注意，要想避免这种情况就要防止表面存有尖角或者小裂口，比如说在进行电镀的时候应当谨防不可使氢脆现象由此产生。

9Ni—4Co型也就是（Ni—Co—Cr—Mo型）的超高强度钢，这种钢里面wNi约等于9％，wCo约等于4％，并且还含有Cr、Mo、V等合金元素。要是增加钢的碳质量分数，那么就能够提高钢的强度，不过韧性会降低。按照碳质量分数的不同，它又可以被分为0.20％、0.25％、0.30％和0.45％这四种钢，其中常用的是9Ni－4Co－20钢以及9Ni－4Co－30钢。经历820至850℃的奥氏体化之后，在空冷的状况之下能够形成低碳马氏体组织，经过500℃左右的回火会产生二次硬化效应，从而获得较高的强度以及较高的韧性。

对于30Ni9Co4CrMoA钢，在其经过淬火处理之后，于550℃的温度下进行回火，此时该钢的抗拉强度为1520至1650N/mm2 ，并且其断裂韧度KIC能够达到100N·mm-2·m1/2以上。30Ni9Co4CrMoA钢以及20Ni9Co4CrMoA钢，这两种钢的焊接性良好，具备良好的热稳定性，适合在370℃以下的环境中长期使用。

③10Ni－14Co类型的超高强度钢中，其典型的钢号是16Ni10Co14Cr2Mo1(AF1410)钢，其中Ni在钢里的作用主要是让奥氏体保持稳定状态。在从奥氏体状态冷却到Ms点温度的这个过程中，均不会发生相变，哪怕是原截面的零件，在冷速较为缓慢的情况下，也仅能形成单相的马氏体组织，于是不存在淬透性不足这样的问题。Co的作用主要是升高Ms点的温度，并且降低Mo在马氏体里的固溶度，以此增强Mo的强化效益，在回火的进程中能够抑制以及延缓特殊合金碳化物的析出，还能阻止所析出的相集聚长大。Mo属于主要二次硬化元素这般，Mo质量分数一旦增加，二次硬化峰值就会提高。当Cr跟Mo共存之际，对提高韧性颇为有利。这是那种可进行焊接的高合金二次硬化型超高强度钢，把它加热到830℃进而奥氏体化以后，在空冷状况下会形成具有高位错密度的板条马氏体，经过510℃时效后会析出细小且弥散分布的合金碳化物M2C来取代Fe3C，借此获得高强度和高韧性。它的抗拉强度能够达到1620N/mm2以上，断裂韧度KIC大于143N·mm-2·ml/2，抗应力腐蚀的性能良好，应力腐蚀开裂临界断裂因子KISCC值高达84N·mm-2·m1/2，比一般的超高强度钢高出3倍以上，常常被用于制造飞机重要受力构件，像是海军飞机着陆钩等 。

16Ni10Co14Cr2Mo1钢，属于超纯净且超细晶粒度钢，其实际晶粒度要大于10级，因为钢具备纯净度会对断裂韧度KIC以及应力腐蚀性能产生明显影响，所以钢里除了S、P质量分数低到极点之外。还要求wO 。

（3）马氏体时效钢，也就是18Ni超低碳马氏体时效钢，它属于铁－镍基超低碳高合金超高强度钢，是那种借助马氏体相变以及时效析出金属间化合物，进而达成强化效果的超高强度钢。

马氏体时效钢具备强度高的特性，其屈强比也高，热处理工艺简单，断裂韧度高。处于固溶状态时，钢的屈服强度大概在800至900N/mm2之间，断后伸长率约为20％，断面收缩率为70％至80％，有着良好的冷塑性变形性能，适合用于深冲零件。对于冷作件能够直接进行时效处理，以此进一步提升其强度。它在热处理过程中零件变形小，常常被用于制造高精度工模具，在固溶状态下焊接性良好；焊丝成分应当大致和基体相似。以氩气防护焊接工艺来进行操作，在焊接之前是不需要进行预热的，在焊接完成后借助时效处理方式来提升焊缝接头强度，可以达到95％以上的焊接强度系数，此方法适用于制造那种固体火箭发动机壳体以及，高压气瓶等等 。

18Ni马氏体时效钢，经过820℃固溶处理后，能够在相当宽广的温度范围之内开展时效处理。时效过程当中，会析出Ni3Mo、Ni3Ti这类金属化合物，借此提升了钢的强韧性。Co在钢里面并不形成化合物，不会直接产生时效强化作用。唯有Mo存在，才能够充分施展Co的强韧化作用。Co能够降低Mo在基体里的溶解度，加大Mo的过饱和度，在时效过程中生成细小的金属间化合物Ni3Mo以及Fe2Mo，弥散且均匀地分布于马氏体位错以及边界之上。Co与Mo相互配合，这不但可以提升钢的强度，而且还能够改良钢的韧性。除此之外，Ti、A1都是强化元素，能形成像Ni3A1、Ni3Ti这类强化相。钢里头的C、S、P、Si、Mn等都属于有害元素。要是碳的质量分数高，在加热到900～1100℃的时候，会于奥氏体晶界形成TiC薄膜，进而让钢变脆。这种钢大多运用真空冶炼工艺，以此来降低钢里头气体以及非金属夹杂物的质量分数，提升钢的纯净度，切实改善钢的韧性。

（4）超高强度不锈钢，它是在不锈钢基础上得以发展起来的，有着较高的强度，并且还具备耐蚀性。依据其组织以及强化机制的不一样，同样能够分为马氏体沉淀硬化不锈钢，半奥氏体沉淀硬化不锈钢，以及马氏体时效不锈钢等等。由于其Cr、Ni合金元素质量分数比较高的缘故，所以其价格尤为昂贵，通常被用于对强度和耐蚀性都怀有很高要求的零件。