超高强度钢的发展及展望

超高强度钢的发展及展望

张武

西安航天动力机械有限公司  陕西省西安市  710025

摘要：超高强度钢是一种在常规合金结构钢基础上发展而成的超高强度高韧性合金钢。其在航空等相关行业中的应用较为广泛，基于此，文章首先对超高强度钢的分类以及相关应用进行了分析，接着对其发展前景进行介绍，希望能够提供相关借鉴。

关键词：超高强度钢；发展；前景

引言

近年来，我国的军工、冶金、矿山、航空航天以及航海等相关的行业随着科学技术的进步得到了迅速的发展，这也就意味着将会有越来越多的目光集中在超高强度钢的研制以及应用中。在常温状态下，超高强度钢的拉伸强度高于1470MPa，屈服强度则大于1380MPa。在我国的航空起落架、精密齿轮以及高端轴承钢中对其的应用较为广泛，可以作为高端产品的理想选择。超高强度钢的性能和很多因素都有着较大的关系，其中主要包括了化学成分、内部组织、负载以及外部环境等，这也就意味着未来超高强度钢的主要研究和发展方向要朝着低成本以及绿色环保的方向发展。

1.超高强度钢发展和应用

目前我国超强钢主要可以从合金成分的总量和冶金特性来进行分类。按照合金元素的总量，可以分为低、中高三种，其中，总合金含量在5.0wt%～10.0wt%之间，低合金超高强度钢低于5.0wt%，超过10.0wt%的是高合金超高强度钢，中间是中高合金超高强度钢。按照其冶金特性，可以将其划分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢以及超高强度马氏体时效钢。下面将根据第二类来说明。

1.1低合金超高强度钢的发展及应用情况

低合金超高强钢是一种低合金马氏体结构钢，其合金元素含量低于5.0wt%，其主要原因是马氏体中的碳含量。1950年，美国首先研制出AISI4340超高强钢，它的主要用途是用于飞机的升降平台。采用 Mo、 Ni、 Cr、 Si、 Vi等主要合金元素，经淬火-低温回火处理后，其屈服强度超过1300 MPa。该产品的碳含量应控制在0.30wt%~0.50wt%之间，以获得高强度、高塑性、高韧性和焊接性能。这是由于钢中的含碳量太少，钢的塑性和韧性都很好，但强度却很低；随着碳素含量的增加，材料的强度增加，而塑性和韧性降低，焊接性能和冷成形性能降低。后期，大部分的低合金超高强度钢由于含有大量的碳化物，其淬火后的拉伸强度可以达到1500 MPa以上，但是塑性较差[1]。后来，美国 Ni公司开发的300 M钢，采用1.5%~2.0%硅和少量钒，既能有效地保证超高强度，又能改善其断裂韧性。原因在于硅可以改善钢的回火稳定性，并抑制回火脆性；在此基础上，钒可以生成具有较高稳定性的微细碳化物，从而使钢材的强度得到进一步的改善。到目前为止，飞机起落架外管锻造中，300M钢是最为主要的材料。近年来，通过调整碳、铬、钨等元素含量较低的 Eglin钢，可形成多种不同的纳米强化相，以抑制位错运动，使其屈服强度达到1800 MPa以上。我国在AISI4330上进行了改进，研制出了685、686、695超硬装甲钢。685装甲钢在技术性能相同的情况下，比前苏联的43ΠCM和2Π装甲钢要好得多。以此为基础，我国研制出一种新型的695超高强度钢板，其防御力系数大于1.3。

1.2二次硬化超高强度钢

二次硬化超高强钢是指在马氏体钢中加入一些促进碳化物形成的元素，如铬、镍、钼、钴等。20世纪60年代中期，美国U.S.钢铁公司研制出HY180钢(其屈服强度可达到1200 MPa)，其耐高压、低温、高韧性和高强度。它主要是在马氏体基体中加入适当的 Ti、 Co元素，提高 Cr、 Mo含量，获得分散的细小的第二相碳化物；同时，增加10%以上的镍，使钢材的脆化转变温度下降，使其韧性得到改善；减少了含碳量，确保了钢材的可焊性。K. J.汉德汉等对HY180钢进行了深入的研究，将某些元素的含量、830℃的油淬火、510℃的时效处理后，研制出了AF1410钢[2]。美国 Carpenter公司在不断的研究中，开发出了更高的强度、更高的耐受性和更好的抗应力的二次硬化超高强度钢。

1.3超高强度马氏体时效钢

超高强马氏体时效钢是一种以超低碳马氏体为主要原料，在其表面沉积了多种纳米尺度的金属间化合物，并利用 Orowan机理使其发生硬化。美国 Ni公司在1961到1962年之间，通过 Mo、 Ti、 Co等元素的加入，使马氏体的硬度得到了显著的提高。这是由于 Mo和 Ti可以在纳米尺度上与镍结合而增强；钴的作用主要是通过改变高密度位错的亚结构，使其形成均匀的晶核，并使其分散沉淀，同时还可以通过增加马氏体的转化点等来改善其强度和塑性。结果表明，18 Ni (200)钢的屈服强度大于1400 MPa，18 Ni (250)钢的屈服强度为1700 MPa。此外，还获得了18 Ni (300)的屈服强度，其屈服强度达到2000 MPa。成功地研制出了具有2400 MPa屈服强度值的18 Ni (350)马氏体钢，然后，又开发了18 Ni (400)钢和18 Ni (500)钢，其屈服强度分别为2800 MPa和3500 MPa，但由于其工艺比较复杂，韧性较差，所以一直没有实际使用。与此同时，世界上其他的先进国家也对其进行了一系列的研究，其中，日本是最先对此系列进行研究的。目前，过渡族的钴是一种较为稀缺的资源，18 Ni系马氏体时效钢中，钴含量为8%~12%，其经济代价过高，严重制约了其后续发展。因此，马氏体时效钢的研究就成为人们关注的焦点。美国 Ni公司率先研制出18 Ni不含钴的马氏体时效钢，并与其它公司共同开发出T250无钴马氏体时效钢。此后陆续研制出T-200、T-300钢，其性能与18 Ni马氏体时效钢相当。同时，日本也研制出了 Fe—14Ni-3 Cr—3 Mo—1.5 T的无钴马氏体时效钢，韩国也已研制成功。这种钢除了综合性能好之外，还有一个很大的优点，那就是它的生产成本可以减少五分之一到三分之一

[3]。

2.高强钢材发展前景

超强钢在航空工业中的发展，限制了其核心零件的性能，而300 M和AerMetl00钢是一种应用非常广泛和优异的超高强度钢。随着科技的发展和航天技术的不断发展，研制高强度钢成为当务之急。超强钢的发展前景或可从以下几个方向进行。(1)采用已有的超高强度钢为原型钢，在该钢的基础上，加入合金，提高材料的性能，并采用稳定的热处理技术，使其具有较高的韧性。(2)针对超高强钢材的强韧化机制进行深入的探讨，并探讨各种因素如奥氏体化温度、冷却速度等对材料性能的影响。例如，利用热力学软件，从热力学和非平衡态两个方面探讨奥氏体化过程中的相转变规律；利用 ANSYS软件对其进行奥氏体冷却曲线的仿真，探索其各个部分的相变规律。(3)Q-P-T技术是当前的热门技术，它比 Q- P法可以通过沉淀得到特定的碳化物。

3.结束语

综上所述，近年来我国很多的行业对高强度、高韧性、高耐腐蚀性能的结构材料提出了更高的要求。尽管各种新型材料层出不穷，但其弹性模量、抗冲击韧性、强度等性能仍然十分突出，在当今和可预见的将来，超高强度钢仍然是不可取代的重要原料。我国在超高强钢领域已有多年的研究，取得了巨大的成果，但在冶炼技术、热加工技术等领域，与国外相比仍有较大差距。如何改善其断裂韧性，是我国学者致力于解决的问题。为此，必须通过探讨适当的添加方式和添加量来控制残余杂质的存在，并对其进行适当的热处理工艺和工艺参数的优化，从而发展出这种超高强度钢。

参考文献

[1]宁静，王敖，苏杰，等．W含量对新型超高强度钢热塑性的影响［J］．锻压技术，2020，45(9):181－186．

[2]赵博，许广兴，贺飞，等．飞机起落架用超高强度钢应用现状及展望［J］．航空材料学报，2017，37(6):1－6．

[3]郝文魁，刘智勇，王显宗，等．舰艇用高强钢强度及其耐蚀性现状及发展趋势［J］．装备环境工程，2014(1):54－62．