《航空工程材料（活頁式）》 課件 8 超高強度鋼

第9講超高強度鋼概述超高強度鋼現(xiàn)在已發(fā)展成為應用范圍很廣的一類重要鋼種，如今已大量應用于火箭發(fā)動機外殼、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域。隨著潔凈化、微合金和控軋控冷等先進冶金技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的逐步推廣和應用，鋼材的品質(zhì)得到了大幅度提高，發(fā)達國家正在研制相當于目前常用鋼材抗拉強度數(shù)倍的超高強度鋼。這種鋼具有超細化、超潔凈、超均質(zhì)的組織和成分的特征，以及超高強度和超高韌性的特點。超高強度鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼的強度的界限目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，習慣上是將室溫抗拉強度超過1,400MPa、屈服強度大于1,200MPa

的鋼稱為超高強度鋼。概述超高強度鋼：屈服強度σb>1400Mpa，σs>1200Mpa。用途飛機起落架、機身骨架火箭發(fā)動機殼體常規(guī)武器某些零件高壓容器

要求合適的塑性一定的沖擊抗力一定的斷裂韌性較高的高周、

低周疲勞抗力較高的缺口強度較高的缺口塑性適當?shù)目珊感驭襜越高，其缺口強度越低，表明超高強度鋼對缺口和表面缺陷的敏感性。KIC由材料本質(zhì)決定，并隨鋼基體所固溶C含量增高而降低。概述基本設(shè)計原則之組織的設(shè)計較高強度的要求：σb>1400MPa在超高強度的情況下需要一定的塑韌性基體必須為馬氏體組織C含量不能太高基體組織：低碳位錯馬氏體概述

由于不同的成分的合金，其塑韌性不一樣，所要改善的方向也不一樣，因此其所需要改善的方向也不一樣，對于超高強度鋼來說總結(jié)起來可歸納為：為得到優(yōu)異的強韌性配合，M的C含量<0.30%因為鋼中α-Fe的過飽和間隙固溶的強度是最有效的。但如果所固溶的C量低于0.25％時，幾乎不存在點陣畸變，每固溶0.10％C所引起的σs增高300Mpa，但固溶較多的C將會得不到合適的塑性、韌性；且回火馬氏體硬度下降更猛；也不利于焊接。為改善回火后的塑韌性，加入Si提高回火抗力因為Si在這方面有很好的表現(xiàn)，固溶2.0％Si，便可有效的推遲ε到θ的轉(zhuǎn)變，使ε-碳化物保持彌散均勻分布狀態(tài)，并將第一類回火脆的發(fā)生推移到更高的溫度。C含量較低時，主要組織為位M，需加入合金形成金屬間化合物，起彌散強化作用。超低C馬氏體所具有的可動螺位錯難以分解，易發(fā)生交叉滑移，所以其是個高塑性相，因此需要添加二次強化相來強化它，沉淀硬化相顯然不是碳化物，因此是加入合金元素形成金屬間化合物。加強碳化合物形成元素，高溫回火彌散析出強化細化馬氏體條，束嚴格控制P、S含量；以及變形熱處理概述超高強度鋼的發(fā)展

超高強度合金鋼是為滿足某些特殊要求發(fā)展起來的，按其物理冶金學特點，超高強度鋼大體可以分為低合金超高強度鋼、二次硬化超高強度鋼和馬氏體時效鋼。典型的低合金超高強度鋼是AISI

4340

和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高強度鋼是HY180

和AF1410，由于馬氏體時效鋼屬高合金鋼。

超高強度鋼是應用范圍很廣的一類重要鋼種，大量應用于火箭發(fā)動機殼體、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域。超高強度鋼的定義和分類超高強度鋼低合金超高強度鋼中合金超高強度鋼高合金超高強度鋼馬氏體時效鋼沉淀硬化不銹鋼Ni-4Co型超高強度鋼超高強度鋼的定義和分類1.低合金超高強度鋼（Low-alloyultra-highstrengthsteel）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?！@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。超高強度鋼的定義和分類2.中合金超高強度鋼（Medium-alloyultra-highstrengthsteel）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，而達到較高的強度?！@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、高強度螺栓。超高強度鋼的定義和分類Aermet100是目前綜合性能最高的超高強度鋼，是新一代軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料，美國己成功地將其應用在最先進的F/A-22戰(zhàn)斗機起落架和F-18艦載機的起落架上。以Aermet100為材料的F/A-22起落架超高強度鋼的定義和分類高強度螺栓就是可承受的載荷比同規(guī)格的普通螺栓要大。普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。1）淬火:第一次950℃2）第二次850℃,空冷;3）回火200℃,水冷、空冷。18Cr2Ni4W螺栓超高強度鋼的定義和分類3.馬氏體時效鋼（maragingsteel）

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。超高強度鋼的定義和分類3.馬氏體時效鋼（maragingsteel）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。超高強度鋼的定義和分類4.沉淀硬化不銹鋼（PHstainlesssteel）

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）。超高強度鋼的定義和分類5.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。含碳0.20～0.30％時，抗拉強度可達130～160kgf/mm2,斷裂韌度達400kgf/mm2以上。綜合性能好，抗應力腐蝕性高，具有良好的工藝性能，常用于航空、航天工業(yè)。超高強度鋼的發(fā)展科學在發(fā)展，航空工業(yè)在前進，航空材料研究也進入了新的發(fā)展階段，新材料不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)在我國有了更好的超高強度鋼，GC-4鋼完成了它的歷史使命，光榮“退役”了，但它是中國航空材料發(fā)展史上第一個中國自己的超高強度鋼，是中國航空工業(yè)史上的“功勛”材料。常用超高強度鋼實例起落架是飛機上重要而特別的部件，它不參與機體的結(jié)構(gòu)和性能，卻極大地影響飛機的使用和安全。30CrMnSiNi2A是我國廣泛使用的一種綜合性能良好的低合金超高強度鋼，主要用于制造飛機起落架、機翼、發(fā)動機殼等受力結(jié)構(gòu)件，及高壓連接件和高扭短軸零件。常用超高強度鋼實例30CrMnSiNi2A屬于低合金超高強度鋼，經(jīng)熱處理后可獲得高的強度、好的塑性和韌性、良好的抗疲勞性能和斷裂韌度、低的疲勞裂紋擴展速率。主要用途用于航空工業(yè)，制造飛機結(jié)構(gòu)件，可減少構(gòu)件重量。常用超高強度鋼實例

為了抑制低合金超高強度鋼回火脆性，1952年美國國際鎳公司開發(fā)了300M鋼。該鋼通過添加了1~2％的硅來提高回火溫度（260~315℃），并可抑制馬氏體回火脆性。300M鋼在1966年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應用，F(xiàn)-15、F-16、DC-10、MD-11等軍用戰(zhàn)斗機都采用了300M鋼，此外波音747等民用飛機的起落架及波音767飛機機翼的襟滑軌、縫翼管道等也采用300M鋼制造。常用超高強度鋼實例

盡管以4340和300M鋼為代表的低合金超高強度鋼具有高強度，但它們的斷裂韌性和抗應力腐蝕能力都比較差，因而其應用受到了一定的限制。美國于60年代初開始研制D6AC，由AISI4340鋼改