在合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種高強(qiáng)度、高韌性合金鋼。通常把抗拉強(qiáng)度在1500MPa以上，或者屜服強(qiáng)度在1380MPa以上，并具有足夠的韌性和良好的工藝性能的合金鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。主要用于航空和航天工業(yè)制作承受高應(yīng)力的重要結(jié)構(gòu)部件。按照化學(xué)成分和使用性能特點(diǎn)可劃分6大類別：(1)低合金超高強(qiáng)度鋼。(2)二次硬化超高強(qiáng)度鋼。(3)馬氏體時(shí)效鋼。(4)超高強(qiáng)度不銹鋼。(5)基體鋼。(6)相變誘導(dǎo)塑性鋼。
簡(jiǎn)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(guó)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，超crlqo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一11等超高強(qiáng)度鋼。1960年美國(guó)國(guó)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9Ni-4Co系列之后，美國(guó)在Hyl80鋼的基礎(chǔ)上，又研制成功AFl410二次硬化超高強(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。其抗拉強(qiáng)度為1700MPa，斷裂韌性(KIL)高達(dá)160MN%26bull;m-3/2以上。應(yīng)力腐蝕界限強(qiáng)度因子(KIscc)高達(dá)60MN%26bull;m-3/2以上。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(lái)，為了適應(yīng)航空工業(yè)的需要，在AFl410鋼的基礎(chǔ)上，美國(guó)研制成功AerMetl00，鋼的抗拉強(qiáng)度為1965MPa，斷裂韌性達(dá)到120MN%26bull;m-3/2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(zhǎng)飛機(jī)使用壽命。
中國(guó)從20世紀(jì)50年代開始試制超高強(qiáng)度鋼。結(jié)合國(guó)內(nèi)資源條件先后研制成功35Si2Mn2MoVA，40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高強(qiáng)度鋼，這些材料已經(jīng)用于制造飛機(jī)起落架和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等重要部件。1980年以后采用真空冶煉技術(shù)，提高了鋼的純度，先后試制成功40CrNi2Si2MoVA、45CrNiM01VA和18Ni馬氏體時(shí)效鋼等。超高強(qiáng)度鋼的研制和應(yīng)用均取得了顯著的進(jìn)展。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，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(qiáng)度鋼的研制和應(yīng)用均取得了新進(jìn)展。
力學(xué)性能 強(qiáng)度和韌性是超高強(qiáng)度鋼的兩項(xiàng)主要力學(xué)性能。表1列出了幾種超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度、斷裂韌性和主要用途。提高鋼的強(qiáng)度是為了提高比強(qiáng)度，從而減輕結(jié)構(gòu)件的自身重量。增加鋼的韌性是為了提高結(jié)構(gòu)件在使用過(guò)程中的安全可靠性。一種鋼的強(qiáng)度和韌性是相互制約的。如果只追求提高強(qiáng)度而韌性不足，在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)件則不是由于超載發(fā)生塑性破壞，而是當(dāng)載荷應(yīng)力遠(yuǎn)低于鋼的屈服強(qiáng)度情況下，由于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生脆性斷裂。其斷裂源往往是由鋼中的非金屬夾雜物或者是結(jié)構(gòu)件表面缺陷產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而造成的。因此，工程設(shè)計(jì)者為了確保使用超高強(qiáng)度鋼的安全可靠性，已經(jīng)采用以斷裂韌性為依據(jù)的容許損傷設(shè)計(jì)理論。斷裂韌性標(biāo)志著材料在受力條件下能夠93c}100超阻止裂紋迅速擴(kuò)展的能力。材料的斷裂韌性愈高。則承受的外加應(yīng)力愈大，容許存在的臨界裂紋尺寸也愈大。如果選用材料的斷裂韌性值較低，在使用過(guò)程中由于結(jié)構(gòu)件容許存在的臨界裂紋尺寸很小，當(dāng)裂紋擴(kuò)展超過(guò)其容許的裂紋尺寸時(shí)就有可能產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。因此選用材料不僅要滿足強(qiáng)度要求，而且要具有足夠的斷裂韌性，以確保結(jié)構(gòu)件的使用安全可靠。
鋼的斷裂韌性取決于鋼的化學(xué)成分、顯微組織和冶金質(zhì)量。圖1為幾種超高強(qiáng)度鋼的斷裂韌性與抗拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。可以看出，任一種鋼的斷裂韌性均隨抗拉強(qiáng)度升高而降低。在等強(qiáng)度條件下，馬氏體時(shí)效鋼的斷裂韌性高于低合金超高強(qiáng)度鋼，而AFl410鋼的斷裂韌性最高。
應(yīng)力腐蝕性能 在介質(zhì)環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能是超高強(qiáng)度鋼的一項(xiàng)重要指標(biāo)。應(yīng)力腐蝕滯后斷裂是材料在介質(zhì)環(huán)境中。當(dāng)外加負(fù)荷遠(yuǎn)低于材料的過(guò)載斷裂應(yīng)力情況下而發(fā)生的沒有明顯宏觀塑性變形的災(zāi)難性斷裂。超高強(qiáng)度鋼在水介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕是氫致開裂過(guò)程，它受材料和環(huán)境中的氫所控制。裂紋前沿的氫離子得到電子后生成氫原子進(jìn)入鋼中。由于應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，氫原子向裂紋前沿最大三向應(yīng)力處聚集，當(dāng)富集的氫濃度達(dá)到并超過(guò)某一臨界值時(shí)，材料就會(huì)產(chǎn)生滯后塑性變形，從而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕滯后斷裂。
應(yīng)力腐蝕斷裂過(guò)程有裂紋形核、穩(wěn)定擴(kuò)展和最終斷裂三個(gè)階段。超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力腐蝕性能受介質(zhì)環(huán)境、外加載荷和材料本身性能的影響。應(yīng)力腐蝕界限強(qiáng)度因子(KIscc)和裂紋亞臨界擴(kuò)展速率(da/dt)是標(biāo)志材料抗應(yīng)力腐蝕能力的主要指標(biāo)。表2列出了幾種超高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力腐蝕性能。可以看出低合金超高強(qiáng)度鋼的KIscc值約為17～18MPa%26bull;m吉，而AFl410鋼高達(dá)66MPa．m1/2，比低合金超高強(qiáng)度鋼提高3～4倍。通過(guò)熱處理工藝改善鋼的顯微組織、細(xì)化晶粒尺寸和提高鋼的純凈度是改善鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能的有效措施。
疲勞性能 超高強(qiáng)度鋼在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂的主要形式之一是疲勞破裂。這是由于在交變載荷作用下，裂紋開始萌生后繼續(xù)產(chǎn)生穩(wěn)定擴(kuò)展，當(dāng)裂紋尺寸達(dá)到材料發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展所對(duì)應(yīng)的臨界裂紋尺寸時(shí)而發(fā)生斷裂。疲勞強(qiáng)度和疲勞裂紋擴(kuò)展速率(da/dN)是衡量材料疲勞特性的主要指標(biāo)。一般情況下，當(dāng)抗拉強(qiáng)度低于某一值時(shí)，鋼的強(qiáng)度愈高，其疲勞強(qiáng)度值也愈高。而超高強(qiáng)度鋼當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過(guò)1300MPa，影響疲勞強(qiáng)度的主要因素不是鋼的強(qiáng)度而是鋼的塑性和韌性。這是由于鋼中的非金屬夾雜物和其他組織不均勻性使局部區(qū)域應(yīng)力集中所造成的。因?yàn)殇摰膹?qiáng)度愈高，其裂紋敏感性也愈大，當(dāng)有很小的非金屬夾雜就形成疲勞源而萌生裂紋。所以，改善和提高超高強(qiáng)度鋼的塑性和韌性是提高疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵。表3列出了幾種超高強(qiáng)度鋼在不同受力狀態(tài)下的疲勞強(qiáng)度極限。
斷裂力學(xué)在疲勞斷裂中的應(yīng)用進(jìn)一步提出了損傷容限設(shè)計(jì)的新概念。就是在容許裂紋存在的條件下，考慮到疲勞裂紋擴(kuò)展速率而估算疲勞壽命。零件在低應(yīng)力作用下，裂紋擴(kuò)展速率受裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K。所控制。裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度存在有下列半經(jīng)驗(yàn)方程式：
式中da/dN%26mdash;%26mdash;裂紋擴(kuò)展速率，mm/周；△K%26mdash;%26mdash;應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度(MPa%26bull;m1/2)，
C，n%26mdash;%26mdash;可通過(guò)試驗(yàn)確定的材料常數(shù)。
機(jī)械零件在循環(huán)應(yīng)力作用下的疲勞壽命包括裂紋形核期和裂紋擴(kuò)展期的總和。影響零件疲勞壽命的因素除材料本身的冶金質(zhì)量和特性外，零件的表面狀態(tài)具有重要的影響。因?yàn)槌邚?qiáng)度鋼對(duì)零件表面缺陷的敏感性高，而且疲勞斷裂又往往起源于零件表面。因此，降低零件表面粗糙度和表面化學(xué)熱處理對(duì)提高疲勞壽命都有明顯的效果。另外，采用表面噴丸和孔擠壓強(qiáng)化，使表層晶粒細(xì)化，增加位錯(cuò)密度提高表面層屈服強(qiáng)度，并且使表層形成殘余壓應(yīng)力，從而有效地延長(zhǎng)零件使用壽命。
生產(chǎn)工藝 (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。圖2為18Ni馬氏體時(shí)效鋼采用三種不同的冶煉工藝時(shí)，斷裂韌性隨屈服強(qiáng)度的變化規(guī)律。可以看出，在同一強(qiáng)度水平時(shí)，二次真空冶煉鋼的斷裂韌性最高。
(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。如圖3所示，16Ni10Co14Cr2Mo1鋼的硫含量從O.005％降低到O.001％，其沖擊功提高一倍以上。硫在鋼中以MnS形式存在，經(jīng)高溫變形呈條狀，則嚴(yán)重降低鋼的橫向塑性。如40CrNi2MoA鋼在降低硫含量的基礎(chǔ)上加入鈣(鈣/硫=3)，則改變夾雜物的形態(tài)，形成CaS球狀?yuàn)A雜物，從而可提高斷裂韌性25％～30％。
16Ni10Co14Cr2Mo1鋼加入稀土金屬鑭對(duì)提高斷裂韌性取得了明顯的效果。鋼中加入適量鑭，夾雜物的組成由Crs轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)a2O2S，雖然夾雜物的體積百分?jǐn)?shù)不變，但夾雜物的直徑加大，夾雜物的間距增加，其斷裂韌性由128MPa%26bull;m1/2提高到196MPa%26bull;m1/2。另外，在鋼中加入微量鈦，形成Ti2CS細(xì)小夾雜物，由于在承受載荷條件下，增加了空穴生核阻力，在較大的應(yīng)變條件下才會(huì)發(fā)生空穴體積長(zhǎng)大，從而提高了鋼的斷裂韌性。
(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(guò)晶體擴(kuò)展，當(dāng)經(jīng)過(guò)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(zhǎng)期以來(lái)，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(guò)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％。
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