高強度鋼

“超高強度鋼”的定義是相對於時代要求的技術進步程度而在變化的。一般講，屈服強度在1370MPa（140 kgf/mm²）以上，抗拉強度在1620 MPa（165 kgf/mm²）以上的合金鋼稱超高強度鋼。

基本介紹

• 中文名：高強度鋼
• 屈服強度：1 370MPa（140 kgf/mm2）以上
• 抗拉強度：1 620 MPa（165 kgf/mm2）以上
• 分類依據：合金化程度和顯微組織

分類

按其合金化程度和顯微組織分為低合金中碳馬氏體強化超高強度鋼、中合金中碳二次沉澱硬化型超高強度鋼、高合金中碳Ni—Co型超高強度鋼、超低碳馬氏體時效硬化型超高強度鋼、半奧氏體沉澱硬化型不鏽鋼等。

低合金

低合金中碳馬氏體強化型超高強度鋼（MART）是在低合金調質鋼的基礎上發展起來的，合金元素總量一般不超過6%。主要牌號包括傳統的鎳鉻鉬調質鋼4340（40CrNiMo）,碳含量0.45%的鎳 鉻 鉬 釩 鋼D6AC（45 CrNiMoV），碳含量0.30%的鉻 錳 矽 鎳 鋼（30CrMnSiNi2A）,在4340鋼基礎上通過加入矽（1.6%）和釩（0.1%）而研製成的300M 鋼（43CrNiSiMoV）以及不含鎳的矽錳鉬釩或矽錳鉻鉬釩等。通過真空熔煉降低鋼中雜質元素含量，改善鋼的橫向塑性和韌性，由於鋼中合金元素含量較低，成本低，生產工藝簡單，廣泛用於飛機大梁、起落架、發動機軸、高強度螺栓、固體火箭發動機殼體和化工高壓容器等。

中合金

中合金中碳二次沉澱硬化型超高強度鋼是從5%Cr型模具鋼移而來的。由於它在高溫回火狀態下有很高的強度和較滿意的塑性和韌性，抗熱性好，組織穩定，用於飛機起落架、火箭殼體等。典型鋼種為H11和H13等。其主要成分為：C 0.32%--0.45%；Cr 4.75%--5.5%；Mo 1.1%--1.75%；Si 0.8%--1.2%。

高合金

高合金中碳Ni-Co（9Ni-4Co-××）型超高強度鋼，是在具有高韌性、低脆性轉變溫度的9%Ni型低溫鋼的基礎上發展起來的。在9%Ni鋼中添加鈷是為了提高鋼的Ms（馬氏體轉變）溫度，減少鋼中的殘餘奧氏體，同時，鈷在鎳鋼中起固溶強化作用，還通過加鈷來獲得鋼的自回火特性，從而使這類鋼具有優良的焊接性能。碳在這類鋼中起強化作用。鋼中還含有少量鉻和鉬，以便在回火時產生彌散強化效應。主要牌號有HP9-4-25，HP9-4-30，HP9-4-45以及改型的AF1410（0.16%C-10%Ni-14%Co-1%Mo-2%Cr-0.05%V）等。這類鋼綜合力學性能高。抗應力腐蝕性好，具有良好的工藝性能和焊接性能，廣泛用於航空、航天和潛艇殼體等產品上。

超低碳

超低碳馬氏體時效硬化型超高強度鋼，通常稱馬氏體時效鋼。鋼的基體為超低碳的鐵鎳或鐵鎳鈷馬氏體。其特點是，馬氏體形成時不需要快冷，可變溫及等溫形成；具有體心立方結構；硬度約為HRC20，塑性很好；再加熱時不出現像在低碳馬氏體中發生的回火現象，並有很大的逆轉變溫度遲滯，因而可以在較高溫度進行馬氏體基體內的時效硬化。在這樣的高鎳馬氏體中含有能引起時效強化的合金元素，藉助於時效強化，從過飽和的馬氏體中析出彌散分布的金屬間化合物，使鋼獲得高強度和高韌性。按鎳含量，馬氏體時效鋼分為25%Ni、20%Ni、18%Ni和12%Ni等類型.18%Ni型套用較廣，為含有鉬、鈦等強化原素的超低碳鐵-鎳（18%）-鈷（8.5%）合金，包括3個牌號：18%Ni（200）、18%Ni（250）、和18%Ni（300）（200、250、300為抗拉強度等級，單位為Ksi）。這種鋼是通過金屬間化合物的析出使鋼強化。借無碳的馬氏體基體取得高塑性，最後達到很高的強度塑性配合。這類鋼具有良好的成形性能、焊接性能和尺寸穩定性，熱處理工藝也較簡單，用於航空、太空飛行器構件和冷擠、冷衝壓模具等。

半奧氏體

半奧氏體沉澱硬化型不鏽鋼是一類高合金的超高強度鋼，如常見的17-7PH（OCr17Ni7Al）、PH15-7Mo（OCr15Ni7Mo2Al）和AFC-77（15Cr15Mo5Co14V）等。這類鋼經固溶化處理，冷卻到室溫為奧氏體組織，再經過冷加工、冷處理或者加熱到750℃進行調整處理後，奧氏體轉變為馬氏體。最後在400-550℃時效，便得到在回火馬氏體基體上彌散分布著第二相強化組織的超高強度鋼。這類鋼在315℃以上長時間使用時，會因為金屬間化合物沉澱而使材料變脆，所以使用溫度要限制在315℃以下。這類鋼主要用於製造航空器件構件、高壓容器和高應力腐蝕化工設備零件等。

舉例

馬氏體時效鋼

其基本成分：C<0.03%， Ni18~25%，+ 時效硬化元素 Ti,，Al，Co，Mo，Nb等 。

類型（根據Ni量不同）：

Ni 18%，+ Ti， Al， Co， Mo等。套用最廣，有三個級別：1400， 1700，2100 MPa。

Ni 20%， +Ti， Al， Nb等 。 合金量較低，成本低，強度較低。

Ni 25%，+ Ti，Al，Nb等 。 時效前硬度較低，可深沖冷拔。

高純度鋼：雜質少，C, N, P, S, Si都要控制；偏析小、含氣量低，一般用真空爐熔煉。

主要合金元素作用

Ni：

1）時效強化相的主要形成元素；

2）擴大γ相區，並能發生M轉變；

（加入 沉澱強化元素多為α形成元素）

3）使鋼保持良好的韌塑性；

4）提高鋼的淬透性（空淬）。

Co：

1）協助Ni擴大γ區；

2）但提高Ms點, 可減少Ar；

3）可間接提高強化效果。

Ti， Al，Mo，Nb：

時效強化元素，能形成時效強化相，如Ni₃Al，Ni₃Ti，Ni₃Mo，（Fe，Ni，Co）₂Mo 等。

Mo ：

時效強化元素；

防止回火脆性，提高韌塑性。

C<0.03%； Mn，Si降低到最少； S<0.01%；其它雜質元素如N，P等也要嚴格控制。

熱處理

原理：利用金屬間化合物在含C極低的馬氏體中彌散析出來強化的（沉澱強化或時效強化）。

熱處理工藝包括兩個基本工序：

1）高溫奧氏體化後淬火成馬氏體；合金元素溶解在M中，為隨後時效工序作好組織上準備；

2）進行時效，產生強烈沉澱強化效應，顯著提高強度。

性能

高強度，同時具有良好的塑韌性和缺口強度；

熱處理工藝簡單：1）不存在脫C；2）固溶處理後進行各種成型加工，再500℃時效；

變形小；

淬火後硬度低，冷變形性能和切削性能好；

焊接性較好。

套用

一般只限於航空、航天與武器製造工業的重要構件。只用來生產比強度高，可靠性強，尺寸精確，而使用低合金超高強度鋼時難以滿足要求的重要構件。