20世紀40年代中期,美國研制成Cr-Mo鋼(AISI4130)和Cr-Ni-Mo鋼(AISI 4340),經(jīng)淬火和低溫回火后,抗拉強度分別為170和190kgf/mm2。50年代初,在AISI 4340鋼的基礎(chǔ)上加入Si和V,制成300M,抗拉強度達190~210kgf/mm2。1960年,國際鎳公司制成馬氏體時效鋼,抗拉強度約為180kgf/mm2,斷裂韌度高達390kgf/mm幫。70年代,美國在300M基礎(chǔ)上降C增Si,改善韌性,發(fā)展成HP310鋼;在馬氏體時效鋼的基礎(chǔ)上研究成AF1410鋼,抗拉強度為170kgf/mm2,斷裂韌度達400kgf/mm幫(見斷裂韌性試驗)。
中國從50年代開始研究和生產(chǎn)超高強度鋼
已有多種鋼號的產(chǎn)品,主要有SiMnMoV、SiMnCrMoV和加有稀土元素的SiMnCrMoV系列鋼,抗拉強度為170~190kgf/mm2,斷裂韌度可達250~280kgf/mm幫。
超高強度鋼必須具有高的抗拉強度,和保持足夠的韌性,還要求比強度(強度與密度之比)大和屈強比(σs/σb)高,以減輕構(gòu)件的重量,而且要有良好的焊接性和成形性等工藝性能。[1]
2類別
按照合金化程度及顯微組織,超高強度鋼可分為低合金、中合金和高合金超高強度鋼三類。在高合金超高強度鋼中又有馬氏體時效鋼和沉淀硬化不銹鋼等(見金屬的強化)。
低合金超高強度鋼
是由調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展起來的,含碳量一般在0.3~0.5%,合金元素總含量小于5%,其作用是保證鋼的淬透性,提高馬氏體的抗回火穩(wěn)定性和抑制奧氏體晶粒長大,細化鋼的顯微組織。常用元素有鎳、鉻、硅、錳、鉬、釩等。通常在淬火和低溫回火狀態(tài)下使用,顯微組織為回火板條馬氏體,具有較高的強度和韌性。如采用等溫淬火工藝,可獲得下貝氏體組織或下貝氏體與馬氏體的混合組織,也可改善韌性。這類鋼合金元素含量低,成本低,生產(chǎn)工藝簡單,廣泛用于制造飛機大梁、起落架構(gòu)件、發(fā)動機軸、高強度螺栓、固體火箭發(fā)動機殼體和化工高壓容器等。
中合金超高強度鋼
熱作模具鋼的改型鋼,典型鋼種有4Cr5MoSiV鋼。這類鋼的含碳量約0.4%,合金元素總含量約8%,具有較高的淬透性,一般零件經(jīng)高溫奧氏體化后,空冷即可獲得馬氏體組織,500~550℃回火時,由于碳化物沉淀產(chǎn)生二次硬化效應(yīng),而達到較高的強度。這類鋼的特點是回火穩(wěn)定性高,在500℃左右條件下使用,仍有較高的強度,一般用于制造飛機發(fā)動機零件。
馬氏體時效鋼
典型鋼種有18Ni馬氏體時效鋼,含碳小于0.03%,鎳約18%,鈷8%。根據(jù)鉬和鈦含量不同,鋼的屈服強度分別可達到140、175和210kgf/mm2。從820~840℃固溶處理冷卻到室溫時,轉(zhuǎn)變成微碳Fe-Ni馬氏體組織,其韌性較Fe-C馬氏體為高,通過450~480℃時效,析出部分共格金屬間化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),達到較高的強度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體,并在冷卻到室溫時轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體,而具有較高的塑性。同時鎳也是時效強化元素。鈷能使鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高,避免形成大量殘留奧氏體。這類鋼的特點是強度高,韌性高,屈強比高,焊接性和成形性良好;加工硬化系數(shù)小,熱處理工藝簡單,尺寸穩(wěn)定性好,常用于制造航空器、航天器構(gòu)件和冷擠、冷沖模具等。
Ni-4Co型超高強度鋼
含9%鎳使鋼固溶強化和提高韌性,加 4%鈷的作用在于盡量減少鋼中殘留奧氏體量,鉬和鉻是為了產(chǎn)生沉淀硬化效應(yīng)。含碳 0.20~0.30%時,抗拉強度可達130~160kgf/mm2,斷裂韌度達400kgf/mm幫以上。綜合性能好,抗應(yīng)力腐蝕性高,具有良好的工藝性能,常用于航空、航天工業(yè)。
沉淀硬化不銹鋼
簡稱PH不銹鋼,是在不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有抗腐蝕性能的超高強度鋼。合金元素總含量約為22~25%。按高溫固溶處理后冷至室溫時顯微組織的不同,可分為奧氏體型、半奧氏體型和馬氏體型三類。典型鋼種有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al,抗拉強度約為160kgf/mm2。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。鋼的強化是通過固溶處理、冷處理或形變后再時效,析出彌散沉淀相而實現(xiàn)的。這類鋼主要用于制造高應(yīng)力耐腐蝕的化工設(shè)備零件、航空器結(jié)構(gòu)件和高壓容器等(見不銹耐酸鋼)。
3生產(chǎn)工藝
超高強度鋼對冶金質(zhì)量要求高,通常采用電弧爐和電渣重熔冶煉。要求純度高的鋼種,多采用真空感應(yīng)爐或真空自耗電弧爐冶煉。中、低合金超高強度鋼在熱處理時應(yīng)防止脫碳;馬氏體時效鋼和沉淀硬化不銹鋼,可以用普通加熱爐固溶處理。焊接時須采用保護氣體焊接或采用鎢極氬弧焊接。某些含碳較高的(0.4%左右)低合金超高強度鋼,焊接后應(yīng)立即進行去應(yīng)力退火。