電子產品低溫沖擊檢測中心-廣東分析檢測中心

  室溫條件下抗拉強度大于1400 MPa、屈服強度大于1200 MPa的鋼被稱為超高強度鋼，通常還要求具有良好的塑韌性、優(yōu)異的疲勞性能、斷裂韌性和抗應力腐蝕性能。超高強度鋼是應用范圍很廣的一類重要鋼種，大量應用于火箭發(fā)動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領域，而且其使用范圍正在不斷地擴大到建筑、機械制造、車輛和其它軍用及民用裝備上。

  超高強度鋼發(fā)展至今，合金化研究已達到很高水平，挖掘現(xiàn)有鋼種的潛力，充分發(fā)揮合金元素的作用，減少有害元素的含量，提高斷裂韌性，已成為冶金科技工作者追求的目標。近十年來圍繞現(xiàn)有鋼種挖潛，在超純、超細化、高均質、低偏析進行技術創(chuàng)新，突破四大關鍵技術：1、超純鐵工業(yè)化大生產冶金技術。2、VIM+VAR低偏析、高均質化的熔煉技術。3、鋼錠均質化技術、大鍛比鍛造技術。4、超細化控制鍛造技術和熱處理控制技術。這是超高強度鋼研發(fā)和產品工業(yè)化的基礎。

  超高強度合金鋼按其物理冶金學特點大體可以分為：低溫回火馬氏體組織或下貝氏體組織強化的低合金超高強度鋼；高溫回火析出合金碳化物、二次硬化組織的超高強度鋼和從低碳馬氏體基體析出金屬間化合物進行強化的馬氏體時效鋼，及正在探索和研究的復合強化型（沉淀強化、二次硬化和時效強化復合強化）的超高強度鋼。

  1 低合金超高強度鋼

  低合金超高強度鋼合金元素含量少（<5%），經濟性好，強度高，屈強比低，但韌性相對較低。此類鋼是通過淬火和低溫回火處理獲得較高的強度和韌性，鋼的強度主要取決于鋼中馬氏體的固溶碳濃度。含碳量增加，鋼的強度升高；而塑性和韌性相應降低。因此，在保證足夠強度的原則下，盡可能降低鋼中含碳量，一般含碳量在0.30~0.45%。鋼中合金元素總量約在5%左右，Cr、Ni和Mn在鋼中的主要作用是提高鋼的淬透性，以保證較大的零件在適當的冷卻條件下獲得馬氏體組織，Mo，W和V的主要作用是提高鋼的抗回火能力和細化晶粒等。

  AISI 4340是早出現(xiàn)的低合金超高強度鋼，也是低合金超高強度鋼的典型代表。美國從20世紀40年代中期開始研究4340鋼，通過降低回火溫度，使鋼的抗拉強度達到1600~1900MPa。1955年4340鋼開始用于F-104飛機起落架。通過淬火和低溫回火處理，AISI 4130、4140、4330或4340鋼的抗拉強度均可超過1500MPa，而且缺口沖擊韌性較高。

  為了抑制低合金超高強度鋼回火脆性，1952 年美國國際鎳公司開發(fā)了300M鋼。該鋼通過添加了1~2％的硅來提高回火溫度（260~315℃），并可抑制馬氏體回火脆性。300M鋼在1966 年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應用，F(xiàn)-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰(zhàn)斗機都采用了300M 鋼，此外波音747 等民用飛機的起落架及波音767 飛機機翼的襟滑軌、縫翼管道等也采用300M 鋼制造。

  盡管以4340 和300M 鋼為代表的低合金超高強度鋼具有高強度，但它們的斷裂韌性和抗應力腐蝕能力都比較差，因而其應用受到了一定的限制。美國于60 年代初開始研制D6AC，由AISI 4340 鋼改進而成，被廣泛用于制造戰(zhàn)術和戰(zhàn)略導彈發(fā)動機殼體及飛機結構件。到了70 年代中期，D6AC 逐漸取代了其它合金結構鋼，成為一種制造固體火箭發(fā)動機殼體的專用鋼種。美國新型地空導彈“愛國者”，小型導彈“紅眼睛”，大中型導彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等，美國航天飛機的φ3.7m助推器殼體也采用D6AC 鋼制造。D6AC 還曾用于制造F-111飛機的起落架和機翼軸等。

  蘇聯(lián)開始研制低合金超高強度鋼的時間大體上與美國同步，具有自己的鋼種體系，有代表性的是30XГCH2A 和40XH2CMA（ЭИ643）鋼。30XГCH2A 是在30XГC 基礎上加入1.4~1.8%的鎳而得到的低合金超高強度鋼，由于鎳的加入提高了鋼的強度、塑性和韌性，也提高了鋼的淬透性，由此改良和派生出了一系列鋼種。40XH2CMA 是在40XH2MA 基礎上發(fā)展起來的，40XH2CBA是用W代替40XH2CMA中Mo而成的。近十幾年來他們又研制了新型經濟型的低合金超高強度鋼35XCH3M1A（BKC-8）和35XC2H3M1ФA（BKC- 9），其抗拉強度分別可達到1800?2000MPa 和1950~2150MPa。

  我國低合金超高強度鋼的研究開始于20世紀50年代，一是仿制國外已有的牌號，五六十年代主要以仿制前蘇聯(lián)的鋼種為主，如30CrMnSiNi2A（仿30XГCH2A鋼），70 年代開始以仿制美國的鋼種為主，如40CrNi2MoA鋼（仿4340鋼）、40Si2Ni2CrMoVA鋼（仿300M鋼）、45CrNiMo1VA鋼（仿D6AC鋼）等。二是根據我國的資源情況（缺乏鈷、鎳等貴金屬）和工程的需要，自主開發(fā)研制了具有我國特點的低合金超高強度鋼，如無鎳鉻的35Si2Mn2MoVA，不含鎳的406 （38SiMnCrNiMoV）、D406A （31Si2MnCrMoV）、 40CrMnSiMoVA （GC-4），含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA等。

  1973年我國開始仿制D6AC鋼，已成功用于HQ-7地空導彈發(fā)動機殼體、反坦克導彈的發(fā)動機殼體和高壓氣瓶。1980年我國開始仿制300M鋼，從“六五”到“九五”期間，鋼鐵研究總院和撫順特殊鋼公司在鋼的純凈化方面做了大量的工作，并發(fā)展了超純冶金技術，將該鋼成功地用于J-8II、J-10等殲擊機起落架上，使我國實現(xiàn)了飛機與起落架同壽命。

  406鋼是我國自行設計、自行研制低合金超高強度鋼成功的典范。它是為解決大型固體火箭發(fā)動機殼體材料而研制的超高強度鋼，1966年由冶金部和七機部聯(lián)合下達研制任務，1980年11月定型生產。采用406鋼制造的巨浪一號兩級發(fā)動機殼體，使用強度>1715 MPa，KIC＞72 MPa·m1/2，相當于美國“北極星A2”導彈一級發(fā)動機殼體所用的D6AC鋼。

  為了提高大型固體火箭發(fā)動機的可靠性，又在406鋼的基礎上開發(fā)了D406A鋼，通過降低碳含量和采用VIM+VAR冶煉技術，提高了純凈度。D406A鋼的強度稍有下降，但提高了韌性（σb＞1620MPa，KIC＞87 MPa·m1/2）。1993年通過技術鑒定，已成功用于東風和巨浪系列導彈一級發(fā)動機殼體。

  2 二次硬化超高強度鋼

  二次硬化超高強度鋼特點是在 480~550℃范圍回火（或時效）后，析出合金碳化物產生強化效應，強度和硬度明顯提高，具有硬化峰值，表現(xiàn)出二次硬化特征，同時韌性提高。

  HY180鋼是1965 年由美國U.S.鋼公司開發(fā)出來的優(yōu)良高韌性超高強度鋼，其化學成分（重量百分比） 為：0.10C、10Ni、8Co、2Cr、1Mo，應用于深海艦艇殼體，海底石油勘探裝置等，但它一直未能在航空航天結構上獲得應用，其原因在于該鋼的比強度和韌性雖能滿足對低溫高壓深水潛艇使用要求，但尚不能滿足航空航天器對超高強度鋼的高強韌性的要求。

  隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強度高（1586?1724MPa）、斷裂韌性好（125 MPa·m1/2）、可焊接性好的新型材料成為發(fā)展方向。為了達到航空構件材料的損傷容限和耐久性，在對Fe10Ni 系合金鋼進行的研究基礎上，對HY180 進行了改進，1978年開發(fā)了AF1410超高強度合金鋼，該鋼經830℃油淬+510℃時效后，σ0.2≥1517MPa，KIC≥154MPa·m1/2。因此該鋼以極高的強韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受航空界歡迎的一種新型高強度鋼。

  在保持AF 1410 超高強度合金鋼良好韌性的基礎上，為進一步提高其強度及在海水環(huán)境中的抗應力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉變溫度，1992年Carpenter公司開發(fā)出Aermet 100 超高強度合金鋼。該鋼與AF1410 鋼相比，強度有了進一步提高（σb≥1930 MPa），但韌性稍有下降（KIC≥110MPa·m1/2）。Aermet 100是目前綜合性能的超高強度鋼，是新一代軍事裝備中關鍵器件的材料，美國己成功地將其應用在的F/A-22戰(zhàn)斗機起落架和F-18艦載機的起落架上。

  我國目前已經成功地研制出具有我國特色的二次硬化超高強度鋼。G99是由鋼鐵研究總院、長城特殊鋼公司、航天部703所、東學共同承擔研制的，該鋼的σb >1520MPa，KIC>124 MPa·m1/2，與國外應用廣的AF1410相當，成功用于神舟系列飛船的黑匣子殼體。鋼院牽頭組織攻關研制了16Co14Ni10Cr2Mo（F206）鋼，并成功用于某飛機平尾軸。我國從“九五”期間開始研制Aermet 100鋼，超高純凈鋼材提純技術取得重大進展，有害元素S、P、O、N、H控制在ppm量級，總和小于40ppm。撫順特殊鋼公司的試制產品達到了美國Aermet 100鋼實物水平，將用于我國四代機和艦載機的起落架。

  3 馬氏體時效鋼

  馬氏體時效鋼以無碳（或微碳）馬氏體為基體的，時效時能產生金屬間化合物沉淀硬化的超高強度鋼。具有工業(yè)應用價值的馬氏體時效鋼，是20世紀60年代初由國際鎳公司（INCO）首先開發(fā)出來的。1961～1962年間該公司在鐵鎳馬氏體合金中加入不同含量的鈷、鉬、鈦，通過時效硬化得到屈服強度分別達到1400、1700、1900MPa的18Ni（200）、 18Ni（250）和18Ni（300）鋼，并首先將18Ni（200）和18Ni（250）應用于火箭發(fā)動機殼體。

  馬氏體時效鋼在相同的強度級別韌性比低合金鋼要高，加工硬化指數低，沒有脫碳問題，熱處理工藝簡單，冷加工成型性好。固體火箭發(fā)動機殼體用18Ni馬氏體時效鋼，使用強度為1750 MPa，濃縮鈾離心分離機旋轉筒體用馬氏體時效鋼，使用強度達到2450MPa。但合金元素含量高致使馬氏體時效鋼的成本增高。

  我國從20世紀60年代中期就開始研制馬氏體時效鋼，目前已形成1700~2500MPa不同級別十余個鋼種，實現(xiàn)了工業(yè)化生產。初以仿制18Ni（250）和18Ni（300）為主，到70年代中期又開始研究強度級別更高的鋼種和無鈷或節(jié)鎳鈷馬氏體時效鋼。80年代開發(fā)出用于濃縮鈾離心分離機旋轉筒體用的超高純、高強高韌的CM-1鋼，高彈性的TM210鋼。90年代以來研制了C300、C350馬氏體時效鋼。

 18Ni馬氏體時效鋼含9%的貴重鈷元素，而我國鈷資源缺乏，80年代以來國際市場鈷價不斷上漲，因此國內大型固體火箭發(fā)動機殼體一般不選用這種材料。近十幾年來國外無鈷馬氏體時效鋼的開發(fā)取得了很大進展。90年代，國內在18Ni馬氏體時效鋼的基礎上，采用取消鈷元素，提高鎳、鈦含量的方法，成功研制出了T250、T300馬氏體時效鋼。T250馬氏體時效鋼力學性能為： σb~1760MPa、 σ_0.2>1655MPa、KIC>80 MPa m^1/2，是制造我國固體發(fā)動機殼體的新一代材料。2006年，寶鋼特殊鋼分公司、撫鋼、安大廠和太鋼等單位聯(lián)合攻關，成功試制出直徑為1200mm的T250鋼固體發(fā)動機殼體，已用于某航天型號。