航空用超高強(qiáng)度特種合金鋼的性能特點(diǎn)
超高強(qiáng)度航空用鋼
航空高強(qiáng)鋼材料選用與設(shè)計(jì)流程圖，如圖1。
圖1 航空高強(qiáng)鋼材料選用與設(shè)計(jì)流程圖
屈服強(qiáng)度高于1245MPa、抗拉強(qiáng)度高于1370MPa的結(jié)構(gòu)鋼材稱為超高強(qiáng)度鋼。該鋼種的比強(qiáng)度高，即強(qiáng)度與密度的比值高，因而適用于航空工業(yè)。
目前超高強(qiáng)度鋼主要包括以下幾種：
(1)低合金超高強(qiáng)度鋼
其強(qiáng)度來自馬氏體于260℃以下低溫回火，增硅后回火溫度可提高到350℃。該類鋼用于室溫下工作的承力構(gòu)件，包括飛機(jī)的起落架、主梁及其他高強(qiáng)度關(guān)鍵零部件。
(2)二次硬化超高強(qiáng)度鋼
其中的中合金超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度來自馬氏體于550℃左右回火產(chǎn)生二次硬化，回火溫度之高低取決于選用的二次硬化合金元素。該類鋼適用于500℃以下的中溫高強(qiáng)度構(gòu)件，如飛機(jī)起落架、梁、承力框架、螺栓等。
高合金超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度來自低碳高合金馬氏體于550℃以下回火產(chǎn)生二次硬
化，回火溫度高低與選用的合金元素種類、數(shù)量及配比有關(guān)。高合金超高強(qiáng)度鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，取代其他類型鋼用作飛機(jī)起落架、螺栓等零件。
(3)馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼
其強(qiáng)度來自含有18％～20％以上 Ni的奧氏體空冷得到的低碳、高合金馬氏體和時(shí)效時(shí)合金元素Mo, Ti, Al重新分配形成化合物沉淀。該類鋼主要用作固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)火箭殼體等。
特種合金鋼能夠加工制 成 極 細(xì) 的鋼絲等特殊形狀，那么高碳鋼強(qiáng)度可超過4000MPa。另外，如果使馬氏體彌散分布在鐵素體基體中，則強(qiáng)度可達(dá)到5000MPa。當(dāng)制成機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)，則不能充分加工成形和組織精確控制，超高強(qiáng)度鋼采用彌散析出的金屬間化合物和碳化物為強(qiáng)化相，在保持較高韌性基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高強(qiáng)度。
特種合金鋼高強(qiáng)化是未來發(fā)展方向。但是考慮到實(shí)用性時(shí)，還需要解決延性和韌性問題。延性和韌性是特種合金鋼最基本的特征，實(shí)際使用中考慮到穩(wěn)定性時(shí)，2500～3000MPa的強(qiáng)度作為其極限強(qiáng)度。一般說來，材料強(qiáng)度提高時(shí)，疲勞強(qiáng)度也隨之提高。當(dāng)鋼的強(qiáng)度超過1000 MPa時(shí)，疲勞強(qiáng)度改善不明顯。另外，當(dāng)考慮到延遲斷裂性時(shí)，1500MPa的材料強(qiáng)度是其極限，如果超過該值，則抗延遲斷裂性將會(huì)惡化，其中夾雜物和結(jié)晶晶界是其限制環(huán)節(jié)。日本在1996年開始實(shí)施STX-21和超金屬計(jì)劃兩個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，兩者共同將晶粒的“超”細(xì)微化作為研究重點(diǎn)。利用細(xì)晶強(qiáng)化方法不僅改善鋼的韌性和延性，而且也改善疲勞強(qiáng)度和延遲斷裂敏感性。超高強(qiáng)度鋼的成分、工藝、組織及性能關(guān)系如圖2。
圖2 超高強(qiáng)度鋼的成分、工藝、組織及性能關(guān)系
我國(guó)超高強(qiáng)度鋼是隨著國(guó)防建設(shè)的需要而逐步發(fā)展起來的。從20世紀(jì)50年代末研制第一個(gè)超高強(qiáng)度鋼32SiMnMoV鋼(32鋼)到現(xiàn)在已經(jīng)過了50多年。整個(gè)發(fā)展過程大體上經(jīng)歷了兩個(gè)階段。從20世紀(jì)50年代末到70年代末的第一階段，是我國(guó)超高強(qiáng)度鋼的創(chuàng)業(yè)和發(fā)展階段。在這一階段，主要是仿制、消化和發(fā)展前蘇聯(lián)武器用鋼的牌號(hào)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國(guó)資源，研制了不含鎳、鉻的低合金超高強(qiáng)度鋼，如32SiMnMoV鋼（32鋼）、40SiMnCrMoVRE鋼（406)、37SiMnCrNiMo鋼等，質(zhì)量達(dá)到前蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)要求及產(chǎn)品實(shí)物水平，并已用于制造飛機(jī)起落架和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等重要部件。從20世紀(jì)80年代至今的第二階段，是我國(guó)超高強(qiáng)度鋼的逐漸提高階段。采用真空冶煉等先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，提高了鋼的純潔度、均勻性等綜合性能，先后研制成功40CrNi2Si2MoVA,45CrNiMo1VA、18Ni馬氏體時(shí)效鋼和9Ni-4Co型高斷裂韌性超高強(qiáng)度鋼等，并能嚴(yán)格按照歐美體系的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試制和生產(chǎn)，保證了新型航空裝備關(guān)鍵零件和構(gòu)件的需求。
這一階段的工作使我國(guó)超高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量水平上了一個(gè)新臺(tái)階，接近或基本達(dá)到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的水平。
用戶對(duì)超高強(qiáng)度鋼的要求主要包括以下內(nèi)容:
(1)強(qiáng)度
高強(qiáng)度包括拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度，是機(jī)械零件減重設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，拉伸強(qiáng)度需求達(dá)到或已超過2000MPa。
(2)塑性和韌性
塑性是超高強(qiáng)度鋼的最重要性能之一。一般地說，隨拉伸強(qiáng)度提高，塑性如延伸率降低。因而，強(qiáng)度水平的提高受到塑性需求的制約。塑性降低還導(dǎo)致缺口敏感性增加。塑性包括縱、橫向塑性，對(duì)重要承力構(gòu)件應(yīng)一并要求。提高塑性的最重要方法是提高純潔度，降低S,P等雜質(zhì)含量（可變形的硫化物夾雜沿變形流線方向伸長(zhǎng)，劇烈地傷害橫向塑性）。超高強(qiáng)度鋼必須采用電渣、真空冶煉工藝進(jìn)行熔煉。韌性包括沖擊韌性、斷裂韌性等，也是超高強(qiáng)度鋼的重要性能，隨拉伸強(qiáng)度提高而降低，并隨純潔度提高而大為改善。例如對(duì)于拉伸強(qiáng)度為1200MPa的1％Cr-Mo鋼，當(dāng)S,P雜質(zhì)含量由0.026％降至。.008％時(shí)，室溫沖擊韌性(AKV)值由16J升高至44J。提高C量使強(qiáng)度提高至2250MPa；S、P雜質(zhì)含量降至0.002％時(shí)，室溫沖擊韌性(AKV)值為14J，也就是說，采用高純真空熔煉工藝，在保持沖擊韌性不變時(shí)，拉伸強(qiáng)度提高了一倍。
(3)工藝適應(yīng)性
對(duì)要求焊接的零件，鋼的可焊性顯得很重要。強(qiáng)度越高、對(duì)氫脆越敏感。所以應(yīng)選用盡可能減少氫含量的焊接方法。
(4)抗疲勞性能
許多應(yīng)用都要求良好的抗疲勞性能，但是各種冶金因素對(duì)疲勞性能的影響尚未十分清楚。高純潔度對(duì)抗疲勞有益，要求高抗疲勞性能的超高強(qiáng)度鋼中應(yīng)保持低含量。
(5)抗應(yīng)力腐蝕和抗氫脆性能
超過1500MPa抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的缺口以及氫脆敏感性增加。
為了提高鋼的強(qiáng)度，在鋼中加入各種合金元素。一般來說，合金元素加入鋼中的主要作用是保證鋼容易獲得馬氏體，只有獲得馬氏體，鋼的強(qiáng)度才有初步保證。為了獲得馬氏體，對(duì)鋼的淬透性有一定的要求。鋼中常用的合金元素Mn,Cr, Mo,B等能較明顯地提高鋼的淬透性，Ni,Si作用較小，Ni,Cr同時(shí)加入鋼中，尤其是按Cr與Ni之比近似于1:3的量加入時(shí)，其淬透性可以得到明顯提高，例如：12CrNi3材料具有較好的淬透性。
過去人們認(rèn)為高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度、塑性、韌性等項(xiàng)指標(biāo)配合作為衡量材料綜合機(jī)械性能的主要依據(jù)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，以及人們認(rèn)識(shí)的提高，上述傳統(tǒng)的指標(biāo)已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)要求，因?yàn)榻^大多數(shù)機(jī)械零件并不是在一次大能量沖擊下破斷的，而是在小能量多次沖擊下形成內(nèi)部裂紋，裂紋擴(kuò)展最后導(dǎo)致斷裂。故引入材料對(duì)抵抗應(yīng)力脆斷及抵抗裂紋擴(kuò)展能力的指標(biāo)即斷裂韌性來評(píng)定，對(duì)于在交變載荷作用下的零件，還應(yīng)要求有較高的疲勞強(qiáng)度。目前可通過兩條途徑獲得良好的機(jī)械性能：一是通過適當(dāng)調(diào)整鋼的成分，特別是控制碳含量，并適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┖辖鹪兀欢沁x擇適合的熱處理工藝。例如：30CrMnSiA材料淬火后高溫回火與低溫回火所得塑性與韌性指標(biāo)相近，而低溫回火卻能得到較高的強(qiáng)度。
為了達(dá)到上述要求低合金超高強(qiáng)度鋼的成分設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)。
（1）含碳量一般控制在0.2%～0.45％的范圍內(nèi)，因?yàn)轳R氏體的強(qiáng)度主要取決于它的含碳量及其組織結(jié)構(gòu)，而馬氏體的韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)基本上分為兩類，即位錯(cuò)型（板條狀馬氏體）和孿晶型（片狀或針狀馬氏體），低碳的位錯(cuò)型馬氏體具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和良好的韌性，高強(qiáng)的孿晶馬氏體具有高的強(qiáng)度，但韌性很差。故綜合考慮，欲使馬氏體具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性，限制鋼中的含碳量，設(shè)法獲得位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高鋼的強(qiáng)制性。
（2）嚴(yán)格限制磷、硫等雜質(zhì)元素的含量，航空材料標(biāo)準(zhǔn)中要求磷、硫等雜質(zhì)含量在0.025％以下，一般高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼磷硫含量分別不應(yīng)大于0.035％和0.03%,優(yōu)質(zhì)鋼磷硫含量不大于0.04%。
（3）合金元素總量不大，一般在3％～7％范圍，但所含合金元素的種類較多，常加入的合金元素有Cr, Ni, Si, Mn, W, Mo, V, Nb, Ti, B及稀土等。其中主加元素Cr, Ni, Mn, Si加入量較大，在改善鋼的性能方面起主導(dǎo)作用；輔加元素W, Mo, V, Ni, Ti, B等加入量較少，在改善鋼的性能方面起輔助作用。這樣可發(fā)揮合金元素“多元少量”的復(fù)合作用，彼此補(bǔ)充，互相配合取得理想的冶金效果。
為了改善低合金超高強(qiáng)度鋼的韌性，提高鋼在工作條件下的安全可靠性，對(duì)鋼中夾雜、氣體以及有害雜質(zhì)元素（S, P, O, N, H等）的含量要嚴(yán)格控制。目前生產(chǎn)中傾向于采用電渣重熔、真空感應(yīng)及真空自耗等提高鋼的純潔度的冶煉工藝，以降低鋼中有害雜質(zhì)和氣體的含量。通常為充分發(fā)揮材料的潛力與作用，高強(qiáng)度鋼都是在熱處理至很高強(qiáng)度的狀態(tài)下使用，在這種條件下，韌性值都很低，相應(yīng)地氫脆的敏感性較大；此外，近代熱處理為避免零件在加熱過程中的氧化和脫碳，大多采用保護(hù)氣氛熱處理或真空熱處理，而保護(hù)氣氛熱處理通常采用吸熱式氣氛，這種氣氛內(nèi)含有大量的氫氣，此外很多重要承力構(gòu)件都是經(jīng)過電鍍防銹處理的，這些因素綜合影響，使得氫脆成為高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用中的一個(gè)嚴(yán)重問題，多次釀成重大失效事故。鑒于上述情況，高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在選用保護(hù)氣氛熱處理時(shí)應(yīng)慎重考慮保護(hù)氣源，或注意增加除氫處理的措施，在可能的條件下，采用真空熱處理或惰性氣氛下保護(hù)熱處理將更為可靠。
目前，超高強(qiáng)度鋼已形成合金體系，如低合金系300M、D6AC鋼，中合金系H11、38Cr2Mo2VA鋼，高合金系AF1410、Aermet100鋼和馬氏體時(shí)效鋼系Marage250、300等。這些鋼已達(dá)到抗拉強(qiáng)度1800～2100MPa和斷裂韌性63～145MPa·m1/2，并已廣泛應(yīng)用于航空主承力構(gòu)件。
Co元素的良好作用使NiSiCrCoMo低合金鋼獲得抗拉強(qiáng)度1980MPa和KIC=120MPa·m1/2的綜合性能；在Aermet100基礎(chǔ)上提高碳含量得到的高合金超高強(qiáng)度鋼Aermet310抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到2170MPa和71MPa·m1/2；采用M2C和NiAl共同強(qiáng)化的添加Al的AF1410鋼達(dá)到抗拉強(qiáng)度2125MPa和沖擊韌性(CVN)31J的力學(xué)性能；Marage400鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到2800MPa；利用Mo,V元素在鋼中的有序化傾向和條紋分解造成的調(diào)制組織和熱機(jī)械處理＋冷變形等方法，通過高鉆、鉬、釩合金成分設(shè)計(jì)，使鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到4000MPa;而用特種熱機(jī)械處理(STMT)＋冷變形使10Ni-18Co-12Mo-lTi鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到4295MPa。
超高強(qiáng)度鋼的主要應(yīng)用是航空高承載構(gòu)件，超高強(qiáng)度鋼制構(gòu)件已采用安全壽命、損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)以保證在規(guī)定壽命期內(nèi)可靠使用。超高強(qiáng)度鋼的主要特征是疲勞性能高，對(duì)應(yīng)力集中敏感，如300M鋼在應(yīng)力集中系數(shù)Kt值為3和5時(shí)，疲勞強(qiáng)度較光滑試樣分別降低約50％和80%，而且裂紋起始?jí)勖哂跀U(kuò)展壽命。趙振業(yè)院士從“無應(yīng)力集中”表面完整性抗疲勞概念出發(fā)，發(fā)展了包括表面完整性加工、表面強(qiáng)化改性、表面防護(hù)和低應(yīng)力集中設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用技術(shù)體系。超高強(qiáng)度鋼研制及所獲得性能數(shù)據(jù)表明，超高強(qiáng)度鋼發(fā)展瓶頸是強(qiáng)韌化性能匹配和耐腐蝕，確切地說是韌化機(jī)理尚未得到很好解決，在提高強(qiáng)度時(shí)韌性降低，而且這一傾向隨強(qiáng)度升高而增大。超高強(qiáng)度鋼的另一個(gè)重要問題是不耐腐蝕。提高超高強(qiáng)度鋼的韌性和耐腐蝕性能是未來發(fā)展重點(diǎn)，也是急待解決的技術(shù)難點(diǎn)。
低合金超高強(qiáng)度鋼
在超高強(qiáng)度鋼中，合金總量小于5％的低合金超高強(qiáng)度鋼占據(jù)大部分，低合金超高強(qiáng)度鋼由調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展而來，采用低溫回火工藝，如35Si2Mn2MoV,40CrNiMo,30CrMnSiNi等。合金采用多元復(fù)合合金化路線，要求雜質(zhì)少、淬透性高，并借助熱機(jī)械加工技術(shù)細(xì)化晶粒。其屈服強(qiáng)度超過1370MPa，抗拉強(qiáng)度高于1500MPa，且伸長(zhǎng)率高于10％。低合金超高強(qiáng)度鋼對(duì)缺口很敏感，目前主要借助去除夾雜和細(xì)化晶粒等技術(shù)手段提高鋼的韌性。
低合金超高強(qiáng)度鋼的研究發(fā)展目標(biāo)在于提高強(qiáng)度同時(shí)提高韌性。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則首先滿足用戶的力學(xué)性能、焊接性能、抗應(yīng)力腐蝕開裂性能，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適宜的合金成分，達(dá)到如下要求：①足夠的淬透性以保證大截面性能均勻；②控制300℃以上回火溫度；③控制馬氏體相變點(diǎn)，以免產(chǎn)生淬火裂紋；④在滿足強(qiáng)度要求下盡可能降低C量；⑤盡量不選用價(jià)格較高的合金元素以降低成本。
碳在馬氏體中引起間隙固溶強(qiáng)化而達(dá)到超高強(qiáng)度，低溫回火時(shí)，從馬氏體中共格沉淀出ε-碳化物，但并未導(dǎo)致強(qiáng)度的再升高。增加C量幾乎傷害強(qiáng)度以外的所有性能，所以在保證強(qiáng)度前提下應(yīng)盡可能降低其含量。 鉻主要用以提高淬透性，稍提高硬度、強(qiáng)度和韌性，對(duì)抗腐蝕有益。 鎳提高淬透性，降低馬氏體相變點(diǎn)，增加奧氏體形成傾向，改善低溫韌性。Ni是提高沖擊韌性的元素，Ni增加α-Fe基體抗解理能力而提高基體的本征韌性。 鉬提高固溶強(qiáng)化鐵素體(F)，形成穩(wěn)定的碳化物，細(xì)化晶粒。釩增加淬透性，溶入鐵素體(F)中有強(qiáng)化作用，形成穩(wěn)定碳化物，細(xì)化晶粒。錳為增加淬透性元素，對(duì)鐵素體(F)有強(qiáng)化作用。 決定淬火回火鋼（馬氏體型鋼）力學(xué)性質(zhì)的組織為：原奧氏體的晶粒大小，馬氏體亞結(jié)構(gòu)的類型和大小，位錯(cuò)密度（隨含碳量的增加而增加），碳化物的尺寸、分布與亞結(jié)構(gòu)的交互作用，及其殘余奧氏體含量、分布和穩(wěn)定性等。鋼中馬氏體強(qiáng)化主要是碳的固溶強(qiáng)化，尤其在低MS溫度的Fe-Ni-C中。Fe-C馬氏體的亞結(jié)構(gòu)中，低碳(<0.3%C)為位錯(cuò)，中碳(0.3%≤C≤0.6％)為混合型，高碳(>0.6％C)為孿晶，碳的固溶強(qiáng)化導(dǎo)致硬度增加，孿品對(duì)強(qiáng)化作用較大(>0.8%C的強(qiáng)化變?nèi)跸禋堄鄪W氏體量較高所致）。其他未經(jīng)時(shí)效的Fe-Ni-C及Fe-Cr-C中都有類似的情況。 一般碳鋼由于MS溫度較高，在經(jīng)淬火時(shí)往往產(chǎn)生滲碳體，或碳擴(kuò)散至位錯(cuò)或馬氏體邊界的應(yīng)變區(qū)。43XX鋼（含不同碳＋0.80Cr-1.80Ni-0.25Mo鋼）馬氏體的強(qiáng)度主要決定于應(yīng)變硬化、淬火時(shí)碳原子的再分布及動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效，而不直接決定于碳含量。 奧氏體晶粒大小和馬氏體領(lǐng)域大小對(duì)淬火合金屈服強(qiáng)度具有影響。馬氏體領(lǐng)域大小直接和原奧氏體晶粒大小有關(guān)。含碳的Fe-0.2C合金因馬氏體領(lǐng)域減小，導(dǎo)致強(qiáng)化率比不含碳的Fe-Mn為大，認(rèn)為是由于碳偏聚于馬氏體引起更大強(qiáng)化所致。位錯(cuò)馬氏體具較高韌性，其主要原因在于馬氏體條間形成薄層（幾個(gè)納米厚）條狀殘余奧氏體；孿晶亞結(jié)構(gòu)馬氏體形變困難，致韌性很差。在相同的屈服強(qiáng)度下，孿晶馬氏體的韌性較位錯(cuò)馬氏體低得多。高碳馬氏體很脆，因此含碳量較高鋼的焊接性能（粗大晶粒及高碳馬氏體）很差。 鋼在淬火時(shí)未溶解的碳化物和夾雜物呈粗大、緊密排列，有時(shí)呈伸長(zhǎng)或片狀，都會(huì)成為微裂縫之源，不利延展性斷裂。4340鋼及含硼鋼經(jīng)高溫淬火，使碳化物溶解，MnS呈粒狀，增大夾雜物間距，顯著提高韌性。 淬火組織中含殘余奧氏體將使塑性和韌性增加。TRIP鋼內(nèi)殘余奧氏體受應(yīng)變而誘發(fā)馬氏體時(shí)，鐵素體對(duì)塑性當(dāng)然也提供有益的影響。TWIP鋼是利用奧氏體的孿生化提供鋼的塑性。目前的新熱處理工藝（Q&P工藝-淬火和碳再分配工藝）使殘余奧氏體富碳而穩(wěn)定，屬于殘余奧氏體對(duì)塑性作貢獻(xiàn)的工藝。 鋼在淬火時(shí)未溶解的碳化物呈粗大、緊密排列，有時(shí)呈伸長(zhǎng)或片狀，都會(huì)成為微裂縫之源。經(jīng)高溫淬火，使碳化物溶解，MnS呈球狀，增大夾雜物間距，會(huì)顯著提高韌性。 化學(xué)熱處理能否有益于熱疲勞抗力的提高不是由單一因素所控制的，而是同時(shí)受滲層的強(qiáng)度、硬度和塑性的制約。化學(xué)熱處理能提高材料表面的高溫強(qiáng)度和硬度，對(duì)抵抗熱磨損和熱疲勞裂紋的萌生有益，如果能降低滲層的脆性，使熱應(yīng)力有松弛的機(jī)會(huì)，那么就能延緩或停止熱疲勞裂紋的擴(kuò)展。總之，要使材料表面的強(qiáng)度和塑性有較理想的配合，才可能最終改善熱疲勞性能：滲氮試樣磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，其強(qiáng)度和塑性達(dá)到了理想的配合。 低合金超高強(qiáng)度鋼（化學(xué)成分與主要力學(xué)性能見表1），其強(qiáng)度來自于馬氏體相變和在260～350℃低溫回火產(chǎn)生的。一碳化物起到的彌散強(qiáng)化作用。主要用于室溫下工作的承力構(gòu)件，包括飛機(jī)的起落架、主梁及其他關(guān)鍵承力零部件。 表1 低合金超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分和主要力學(xué)性能 二次沉淀硬化鋼 二次硬化型超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展是由航空、航天需求引發(fā)的。航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求結(jié)構(gòu)件具有承受500℃甚至更高溫度的能力并達(dá)到超高強(qiáng)度水平。為滿足這一需求，必須采用二次硬化型超高強(qiáng)度鋼。顯然，二次硬化型超高強(qiáng)度鋼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中除了低合金超高強(qiáng)度鋼的一些要求外，還應(yīng)包括550～650℃抗回火能力和500℃以下長(zhǎng)期工作的抗腐蝕和氧化能力。 Mo鋼回火時(shí)出現(xiàn)的二次硬化現(xiàn)象是由于析出Mo2C造成的。碳化物Mo2C繼Fe3C之后析出并隨回火溫度的升高轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>M6C。Mo2C以平行的細(xì)針狀（二維層片狀）在馬氏體板條內(nèi)、亞晶界、晶界析出。Mo2C形成的最初階段是Mo和C原子沿F體(100)面偏聚，形成像Al-Cu合金時(shí)效時(shí)出現(xiàn)的G-P區(qū)那樣的區(qū)域，與基體共格的Mo2C引發(fā)二次硬化。 二次硬化（中合金）中溫超高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分與主要力學(xué)性能見表2，其強(qiáng)度來自于馬氏體相變和550℃以上回火產(chǎn)生的二次硬化，回火溫度的高低取決于選用的二次硬化合金元素。這類合金的特點(diǎn)是在具備1700MPa抗拉強(qiáng)度的同時(shí)具有承受500℃高溫的能力。該類鋼適用于500℃以下的中溫高強(qiáng)度構(gòu)件，如飛機(jī)起落架、梁、承力框架和螺栓等。 表2 二次沉淀硬化超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分和主要力學(xué)性能 高合金超高強(qiáng)度鋼化學(xué)成分與主要力學(xué)性能見表3，其強(qiáng)度來自于低碳高合金馬氏體于550℃以下回火產(chǎn)生的二次硬化，回火溫度的高低與選用的合金元素種類、數(shù)量及配比有關(guān)。這是近二十年由9Ni-4C。合金系新發(fā)展的一類鋼，其特點(diǎn)是具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，取代其他鋼種用作飛機(jī)起落架、螺栓等關(guān)鍵承力構(gòu)件。 表3 高合金超高強(qiáng)度鋼的化學(xué)成分和主要力學(xué)性能 超高強(qiáng)度不銹鋼的強(qiáng)度來自于高Cr馬氏體強(qiáng)化及450-650℃回火析出碳化物和（或）金屬間化合物強(qiáng)化。 其中一類是馬氏體沉淀硬化不銹鋼（常見的如PH鋼），采用馬氏體相變和沉淀硬化機(jī)理；另一類是馬氏體時(shí)效不銹鋼（常見的如Custom鋼），采用低碳板條馬氏體和時(shí)效強(qiáng)化機(jī)理，目前這類鋼是不銹鋼中強(qiáng)度水平最高的。各國(guó)正在積極研發(fā)抗拉強(qiáng)度為1900MPa級(jí)的不銹鋼。 40CrMnSiMoVA(GC-4)鋼是我國(guó)于1958年開始研制的第一個(gè)超高強(qiáng)度鋼，其研究背景是，高空高速飛機(jī)的發(fā)展迫切需要比30CrMnSiNi2A具有更高強(qiáng)度和良好綜合力學(xué)性能的超高強(qiáng)度鋼，材料的抗拉強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到1860MPa以上，以減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，主要的應(yīng)用目標(biāo)是起落架結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)鋼的化學(xué)成分時(shí)，不選用當(dāng)時(shí)我國(guó)稀缺的Ni元素，在分析了蘇聯(lián)和美國(guó)超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)化原理及各個(gè)合金元素的作用后，結(jié)合國(guó)內(nèi)資源情況確定了以Si-Mn-Cr-Mo合金系為基礎(chǔ)，C含量在0. 40％左右，并初步確定了C, Cr, Mn, Si, Mo, V等合金元素的大致范圍。經(jīng)過大量的小爐冶金試驗(yàn)和大爐試制，棒材熱處理后抗拉強(qiáng)度在1915MPa水平，伸長(zhǎng)率在11％左右，沖擊韌性平均達(dá)到660kJ/m2。40CrMnSiMoVA鋼先后用于研制多個(gè)型號(hào)的飛機(jī)起落架。 18Mn2CrMoBA鋼的研制目標(biāo)是制造出一種強(qiáng)度級(jí)別與30CrMnSiA鋼相當(dāng)，且工藝性能優(yōu)良的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，代替30CrMnSiA鋼，以解決當(dāng)時(shí)飛機(jī)上大量使用的30CrMnSiA鋼飯金沖壓件常出現(xiàn)的淬火裂紋和焊接組合件焊接裂紋等缺點(diǎn)。該鋼的研制以英國(guó)Fortiweld鋼為基礎(chǔ)，即0.5Mo-B系合金，Fortiweld鋼的抗拉強(qiáng)度只有700MPa，為了獲得高強(qiáng)度并保持良好的可焊性能，需要適當(dāng)提高C含量；0.5Mo-B合金組合使相圖中珠光體區(qū)域與貝氏體區(qū)域脫離并向右移，這為獲得以貝氏體為主的顯微組織奠定了基礎(chǔ)。 相關(guān)文章：超高強(qiáng)度鋼 (ultra high-strength steel)
| |
|
? 請(qǐng)關(guān)注 微信公眾號(hào): steeltuber. 轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留鏈接: http://www.kqfzw.com.cn/Steel-Knowledge/high-strength.html
|