深入了解超高强度钢产业：发展现状、趋势及战略布局

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第 7 章 超高强度钢

王春旭梁建雄

7.1超高强度钢产业发展的背景要求和战略意义 125

7.2国际超高强度钢行业发展现状及趋势129

7.3国内超高强度钢产业发展现状145

7.4发展我国超高强度钢产业的主要任务和主要问题 158

7.5促进我国超高强度钢产业发展的对策建议 160

7.6 2035年面向国家重大战略需求的超高强度钢产业技术预测与战略布局 161

7.2

国际超高强度钢产业发展现状及趋势

7.2.1低合金超高强度钢

低合金超高强度钢是在调质结构钢的基础上发展起来的。钢中加入多种微量合金元素，使钢固溶强化，提高钢的淬硬性和马氏体回火稳定性。主要合金元素有锰、铬、硅、镍、钼、钒等，合金元素总含量一般不超过5%。该类钢与一般合金结构钢相比，除钼含量略高外，其他元素基本无差别。大致可分为铬钼钢、铬镍钼钢、铬锰硅钢、铬锰硅镍钢、硅锰钼钒钢等几种钢系。碳含量一般为0.27%～0.50%。 最终热处理一般为淬火加低温回火或等温淬火。使用状态下的组织为回火马氏体或下贝氏体，其强度主要取决于钢中的碳含量或马氏体固溶体的碳浓度。研究表明，低合金超高强度钢的抗拉强度与碳含量呈线性关系：

公式中C%为钢中碳含量，适用范围为（0.30%～0.50%）C。根据公式可知，当碳含量为0.30%时，钢的强度约为1700MPa；当碳含量为0.40%时，强度约为2000MPa。若碳含量高达0.50%时，钢的强度则接近2300MPa。碳含量对钢的性能影响十分显著，随着碳含量的提高，强度有很大提高，但其塑性和韧性也显著降低，工艺性能（如切削加工性、焊接性等）也变坏。因此，碳含量一般不超过0.50%。

低合金超高强度钢通常在低温回火状态下使用，因此可以提高回火马氏体的韧性和塑性，对降低缺口敏感性具有重要意义。为了提高回火马氏体的塑性和韧性，通常在钢中加入镍、少量的铬和硅。特别是在钢中加入1%～2%的硅，可以使钢产生低温回火脆性的回火温度范围向更高的温度移位。因此，目前开发的低合金超高强度钢一般含硅量为1%～2%，300M钢就是典型的例子。在钢中加入适量的钒、钛、铌等，可以细化奥氏体晶粒，从而细化马氏体组织，提高回火马氏体的韧性。 低合金超高强度钢中还常常加入一定量的钼，也有提高回火马氏体的韧性和塑性的作用，因为钼能破坏碳化物膜的连续性。

低合金超高强度钢是超高强度钢中最早出现的类型，生产成本低，生产工艺简单，用量较大，主要用于航空航天领域的高强度结构件，其用量至今仍占超高强度钢总产量的大部分。

国外低合金超高强度钢一般可分为欧美系列和俄罗斯（苏联）系列，欧美系列主要是美国钢种。表7-2和表7-3分别给出了欧美、俄罗斯常用的低合金超高强度钢牌号和化学成分。AISI4340钢是最早的低合金超高强度钢，是低合金超高强度钢的典型代表。美国在20世纪40年代中期开始研究4340钢，通过降低回火温度，使该钢的抗拉强度达到1600～1900MPa。1955年，4340钢开始在F-104飞机的起落架上使用。 AISI4130、4140、4330或4340钢通过淬火及低温回火处理，抗拉强度可超过1500MPa，缺口冲击韧性也较高。在发动机应用方面，普惠公司多种发动机型号的低压涡轮轴均采用4340钢制造。

表7-2 欧美常用低合金超高强度钢牌号及化学成分

表7-3 俄罗斯常用低合金超高强度钢牌号及化学成分

为了抑制低合金超高强度钢的回火脆性，美国国际镍业公司（INCO）于1952年开发了300M钢（又称4340M）。它是在AISI4340钢中添加约1.5%的硅和0.05%～0.10%的钒，并略微提高碳和钼含量而发展起来的。它在避免低温回火脆性的同时改善了延迟失效特性。300M钢自1966年起被广泛用作美国军用飞机和主要民用飞机的起落架材料。至今，几乎所有的民用飞机仍在大量使用300M钢，它在世界范围内得到了广泛的应用。 例如F-15、F-16、DC-10、MD-11、波音系列、空客系列及运输机等飞机的起落架，波音767飞机机翼的襟翼导轨和缝翼导管等均采用300M钢制造。以4340、300M钢为代表的低合金超高强度钢虽然强度高，但其断裂韧性和抗应力腐蚀性能相对较差，应用受到一定的限制。

美国于20世纪60年代初开始研制D6AC，它是在AISI4340钢基础上改进而来的一种低合金超高强度钢，广泛用于制造战术和战略导弹的发动机壳体和飞机结构件。到20世纪70年代中期，逐渐取代其他合金结构钢，成为制造固体火箭发动机壳体的专用钢。例如，美国新型地空导弹“爱国者”、小型导弹“红眼”、大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极星”和“大力神”。美国航天飞机的φ3.7m助推器也是用D6AC钢制造的。D6AC还曾用于制造F-111飞机的起落架和机翼轴。因此，D6AC钢是航空航天工业使用的优良材料之一。 20世纪70年代中期，美国共和钢铁公司在4340M钢基础上，将硅含量提高到2.5%，钒含量提高到0.2%，开发出了抗拉强度达到2135MPa的高强度HP310钢，而大截面钢筋的横截面收缩率仍可保持在25%以上。

俄罗斯在苏联时期开始研制低合金超高强度钢，大致与美国同步。钢种有自己的体系，其中最有代表性的是30XGNC2A和40XGNC2SMA（E643）钢。30XGNC2A是在30XGNCA中添加1.4%～1.8%的镍而得到的低合金超高强度钢。镍的加入提高了钢的强度、塑性和韧性，也提高了钢的淬硬性。由此改进并派生出一系列钢种，如：30XGNC2A、30X2GNC2SMA、30X2GNC2SMA、30X2GNC2SMA等。

40XN2CMA是在40XN2M基础上发展起来的，40XN2CMA是用W代替40XN2CMA中的Mo制成的。近十几年来，又开发出了新型经济型合金化低合金超高强度钢35XN3M1A（BKC-8）和35XN2M1M1A（BKC-9），其抗拉强度分别为1800～2000MPa和1950～2150MPa。

除美国、俄罗斯外，其他国家超高强度钢种较少，法国有35NCD16、32CDV13等，日本等国超高强度基本与美国相近，如JIS-SNCM439相当于AISI4340钢，美国的4340、300M钢基本已成为世界通用钢种，英国、法国、德国、日本、加拿大、奥地利、意大利、澳大利亚等主要工业国家均有生产300M钢。

由于超高强度钢的强度很高，因此钢对各种表面缺陷（如裂纹、夹杂、焊缝及表面加工引起的缺陷）十分敏感。当使用过程中有应力存在时，裂纹会扩展到临界尺寸并在很小的塑性变形下突然扩展，导致材料发生灾难性的脆性破坏。因此，近年来如何降低超高强度钢的缺口敏感性、提高钢的韧性成为人们努力的方向。为提高钢的韧性、提高钢在工作条件下的安全可靠性，严格限制钢中夹杂物、气体及有害杂质元素的含量是一种有效的方法。近年来，广大冶金工作者对如何降低钢中有害杂质元素含量、改善夹杂物形态等进行了大量的工作，努力提高钢的韧性。特别是超纯化技术的迅速发展，可将钢中有害元素含量降低到ppmA级。 因此，目前超高强度钢生产往往采用炉外精炼、真空感应、电渣重熔、真空自耗重熔等冶炼工艺来提高钢的纯净度。美国大部分钢种采用真空感应加真空自耗重熔的双真空工艺，俄罗斯多采用电渣重熔的冶炼工艺。从生产检验标准的变化可以看出，人们对更高纯净度、更高冶金质量的追求。例如，对于美国的300M钢，SAE于1961年发布了第一个标准，即采用非真空冶炼的AMS6416。1968年，SAE发布了采用真空冶炼的AMS6417。 1976年修订为AMS6417B，1989年修订为AMS6417C，1991年修订为AMS6417D。同样，D6AC的标准也由1964年的AMS6431A修订为1980年的AMS6431F。每次修订都对钢材的内在质量、纯净度、低倍率等方面提出了更高的要求。

我国对低合金超高强度钢的研究始于20世纪50年代，一种方法是仿制国外已有的牌号，20世纪50~60年代主要以仿制苏联钢种为主，如30CrMnSiNi2A（仿制30XГCH2A钢）。 从20世纪70年代开始，主要做法是模仿美国钢种，如40CrNi2MoA钢（仿制4340钢）、40Si2Ni2CrMoVA钢（仿制300M钢）、45CrNiMo1VA钢（仿制D6AC钢）等。二是根据我国资源状况（缺乏钴、镍等贵金属）和工程需要，自主研发生产了具有中国特色的低合金超高强度钢，如不含镍和铬的35Si2Mn2MoVA、406（38SiMnCrNiMoV）、D406A（31Si2MnCrMoV）、不含镍的40CrMnSiMoVA（GC-4）、含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA等。表7-4为我国低合金超高强度钢的牌号及化学成分超高强度钢。

表7-4 我国低合金超高强度钢牌号及化学成分

1980年，我国开始仿制300M钢，1988年作为起落架用钢试制。经过“七五”研发，国产300M钢各项性能均达到美国航空航天材料标准AMS6417B的要求。经过“八五”研发，国产300M钢各项性能均达到美国材料标准AMS6417C或AMS6417D的要求，在钢的内在质量、纯净度、低倍组织等方面均高于AMS6417B。提高钢的纯净度、降低气体含量和非金属夹杂物是提高钢的冶金质量和韧性的关键措施。 从“六五”、“七五”、“八五”到“九五”，钢铁研究总院（IRIS）和抚顺特殊钢有限公司（抚钢）在钢的净化方面做了大量工作，开发了超纯净冶金技术。抚钢采用双真空技术生产的φ300mm 300M钢的各项性能均达到了美国最新标准的要求，与美国产品的实际水平相当。国产钢的S≤0.001%～0.003%，P≤0.005%；美国钢的S≤0.001%，P≤0.003%。 国产300M钢已成功应用于歼8Ⅱ、歼8Ⅲ、歼10飞机的起落架，使我国实现了飞机机体与起落架同寿命设计。在模仿国外品牌的同时，我国低合金超高强度钢立足国内资源，走自主发展的道路。

我国从20世纪50年代开始此项工作，先后开发了不含镍和铬的35Si2Mn2MoVA、不含镍的406、D406A、40CrMnSiMoVA（GC-4），含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA等系列钢种。406钢系列是我国自行设计、自行开发的最成功范例，是为了解决航空航天固体火箭发动机壳体材料而开发的超高强度钢。采用双真空冶炼的D406A钢，具有较高的纯净度和良好的强韧性结合，已成为我国大中型固体火箭发动机的专用钢种，该钢的生产标准已纳入国家军用标准，我国许多大型固体发动机壳体均采用该钢制造。

随着我国对侵彻弹和钻地弹研究的不断发展和深入，对材料的需求也愈发迫切。除了传统的超高强度钢，我国还研制了DT300钢、G50钢等弹头专用材料。这些材料的特点是采用多元素低合金体系，强度高、冲击韧性高、成本低，保证了能够大批量使用。

7.2.2 马氏体时效超高强度钢

待续...

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