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超高强度钢定义
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超高强度钢
超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。
20世纪40年代中期,美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度,使钢的抗拉强度达到1600〜1900MPa50年代以后,相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢,如300MD6AC和H一11钢等。
60年代研制成功马氏体时效钢,逐步形成18Ni马氏体时效钢系列,70年代中期,美国研制成功高纯度HP310钢,抗拉强度达到2200MPa法国研制的35NCD16钢,抗拉强度大于1850MPa而断裂韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进。
80年代
初,美国研制成功AF1410二次硬化型超高强度钢,在抗拉强度为1860MPS时,钢的断裂韧度达到160MPam以上,AF1410钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料。
中国于50年代初研制成功30CrMnSiNi2A超高强度钢,抗拉强度为1700MPa70年代初,结合中国资源条件,研制成功32Si2Mn2MoVA和40CrMnSiMoVA(G(一4)钢。
1980年以来,从国外引进新技术,采用真空冶炼新工艺,先后研制成功45CrNiMoVA(D6AC)、34Si2MnCrMoVA
(406A)、35CrNi4MoA、40CrNi2Si2MoVA(300M)
和18Ni马氏体时效钢,成功地用于制做飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩铀离心机简体等。
目前超高强度钢已形成不同强度级别系列,在国防工业和经济建设中发挥着重要的作用。
现在,以改变合金成分提高超高强度钢的强
度和韧性已很困难。
发展超高强度钢的主要方向是开发新工艺、新技术,提高冶金质量,如采用真空冶炼技术,最大限度降低钢中气体和杂质元素含量,研制超纯净超高强度钢;通过多向锻造和形变热处理,改变钢的组织结构和细化晶粒尺寸,从而提高钢的强度和韧性,例如正在发展的相变诱发塑性钢(TRIP钢)等。
超高强度钢的合金成分、组织和特性
(1)中碳低合金超高强度钢此类钢是通过淬火和回火处理获得较高的强度和韧性,钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。
含碳量增加,钢的强度升高;而塑性和韧性相应降低。
因此,在保证足够强度的原则下,尽可能降低钢中含碳量,一般含碳量在0・30〜0.45%o钢中合
金元素总量约在5%左右,Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透性,以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织,MoW
和v的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。
几种典型钢种的化学成分如表2-12.1o
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该类钢通过淬火处理,在Ms点温度以下发生无扩散相变,形成马氏体组织。
采用适宜的温度进行回火处理,析出£—碳化物,改善钢的韧性,获得强度和韧性的最佳配合。
提高回火温度(250—450C回火)时,板条马氏体的&—碳化物发生转变和残留奥氏体分解形成Fe3C渗碳体,钢的韧性明显下降,此现象称为回火马氏体脆性。
产生此种回火脆性的原因主要是由于钢中的硫、磷等杂质元素在奥氏体晶界偏聚和渗碳体沿晶界分布,降低了晶界结合强度。
300M钢等含
有1.5%硅,能有效地仰制&—碳化物转变和残留奥氏体分解,使钢的回火马氏体脆性温度提高到350〜500C。
硅在钢中只能提高回火马氏体脆性区的温度,但并不能减轻或消除此种脆性。
因此,只有降低钢中硫、磷等杂质元素的含量才能有效地消除超高强度钢的回火马氏体脆性。
中国研制的40CrNi2Si2MoVA钢是一种强度高,纯洁度要求严的低合金超高强度钢。
采用精炼脱硫的原材料,经过真空感应炉和真空白耗炉两次真空冶炼工艺,钢中硫和磷含量分别降低到0.002〜0.003%和0.005〜0.008%,明显改善了大截面锻件的横向塑性和韧性。
在抗张强度为1925MPa条件下,钢的断裂韧度达到85.1MP"m经疲劳试验证明,用于制造飞机起落架可使寿命延长三倍以上,达到起落架与飞机机体同寿命的世界先进水平。
45CrNiMoVA和34Si2MnCrMoVA钢采用真空冶炼工艺,提高了钢的冶金质量。
当抗张强度在1600和1800MPa条件下,其断裂韧度分别达到105和93.6MP*m用于制造中远程和近程固体燃料火箭发动机壳体取得了良好的效果。
(2)二-次硬化钢H—11钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢。
钢的含碳量约0.40%,含铬5%。
钢的淬透性高,一般零件在空气冷却条件下即可获得马氏体组织。
经500C
回火时,析出M2C(M表金属元素)和V4C3产生二次硬化效应,钢的强度达到1962MPa以上。
该类钢具有较高的中温强度,除用于制做热作模具外还制做飞机发动机后框架等,在400〜500C
工作条件下能承受较高的应力。
9Ni-4Co系列钢是高韧性超高强度钢,按照强度级别含碳量范围0.20〜0.45%,通常使用的有HP9-4—20和HP9-4—30,含碳量分别为0.20%和0.30%。
该类钢经820C加热后油淬,450〜550C回火,抗张强度为1400〜1600MPg断裂韧度达到90MPa/m以上。
AFI410钢近年来受到了航空和航天部门的极大重视,该类钢含有MCoCr和Mo等合金元素(表2•12.2),经固溶和油淬处理形成高位错密度板条马氏体,在板条边界分布有少量残留奥氏体。
时效处理析出弥散分布的合金碳化物,从而获得高强度和高韧性。
从表2•12-2
看出,钢中琉、磷含量控制到极低的水平,氮和氧分别为3ppm和7ppm因此,AFI410钢必须选用低硫、磷精料,采用真空感应和真空自耗重熔双联工艺,获得超纯净钢。
经油淬和时效处理,抗拉强度为1620MPa断裂韧度达到190MPar。
加入稀土金属可改变非金属夹杂物的形态和分布,进一步提高钢的韧性。
AFI410钢不仅强度高,韧性好,可焊性好,并且具有较高的抗应力腐蚀性能。
AF1410钢的化学成分
合金元素cCoNi
Cr
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S
P
o
N
Al
La
•I%b6140101■
21
10
0-01
0.04
0.007
0.003
0-03
0.08
(3)马氏体时效钢该类钢含碳量极低,含有
18〜25%Ni。
当加热到高温时得到稳定的奥氏体组织,在空冷条件下可完全转变形成微碳马氏体。
Co在钢中的作用是提高Ms点,减少残留奥氏体量,降低Mo在马氏体中的固溶度,增加Mo的沉淀强化效应。
马氏体时效钢经固溶和时效处理,析出金属间化合物Ni3Mo、Ni3Ti和
Ni3A1等产生弥散强化效应。
其中性能好,使用最广泛的是18Ni马氏体时效钢。
根据Mo和Ti含量不同,可获得几种强度级别的钢种(表2.12•3)。
成分
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Mo
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马氏体时效钢在固溶处理后为超低碳马氏体组织,加工硬化指数低,冷加工成型性好。
在固溶状态下可焊性好,采用钨极氩气保护焊不需要预热和后热。
热处理时零件变形小,尺寸稳定。
但合金元素含量高致使钢的成本增高。
马氏体时效钢具有独特的优点,在较高的强度条件下使用安全可靠性好,固体火箭发动机壳体用18Ni马氏体时效钢,使用强度为仃50MPa浓缩铀离心分离机旋转简体用马氏体时效钢,使用强度达到2450MPa
二超高强度钢的力学性能
(1)超高强度钢的断裂韧性表2•12-4列
出了几种典型超高强度钢的强度和韧性。
过去,随着使用强度不断提高,超高强度钢对缺口和裂纹的敏感性增大。
70年代初,随着断裂力学的
发展,断裂韧度已成为衡量超高强度钢韧性的重要指标。
一般来说,钢的强度提高,往往断裂韧度降低。
如200级18Ni马氏体时效钢,当加载到钢的屈服强度时,不发生脆性断裂的部件表面允许存在的临界裂纹尺寸为8mm如果选用350级马氏体时效钢,当加载到屈服强度时,不发生脆性断裂允许存在的裂纹尺寸只有0.25mm如
此微小的裂纹用无损探伤的方法是很难发现的。
因而就有发生低应力脆性破断的危险。
只有提高钢的断裂韧度,增加部件中容许存在的临界裂纹尺寸,才能提高钢的使用应力,充分发挥材料的潜力。
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e Y+a超高强度钢 ultrahigh-strengthsteels 应用于制造承受较高应力结构件的合金钢类,一般屈服强度大于120kgf/mm2、抗拉强度大于140kgf/mm2。 20世纪40年代中期,美国研制成Cr-Mo钢(AISI4130)和Cr-Ni-Mo钢(AISI4340),经淬火和低温回火后,抗拉强度分别为仃0和190kgf/mm2。 50年代初,在AISI4340钢的基础上加入Si和V,制成300M,抗拉强度达190〜210kgf/mm2。 1960年,国际镍公司制成马氏体时效钢,抗拉强度约为180kgf/mm2,断裂韧度高达390kgf/mm帮。 70年代,美国在300M基础上降C增Si,改善韧性,发展成HP310钢;在马氏体时效钢的基础上研究成AF1410钢,抗拉强度为仃0kgf/mm2,断裂韧度达400kgf/mm帮(见断裂韧性试验)。 中国从50年代开始研究和生产超高强度钢,已有多种钢号的产品,主要有SiMnMoV、SiMnCrMoV和加有稀土元素的SiMnCrMoV系列钢,抗拉强度为170〜190kgf/mm2,断裂韧度可达250〜280kgf/mm帮。 超高强度钢必须具有高的抗拉强度,和保持足够的韧性,还要求比强度(强度与密度之比)大和屈强比((6/cb)高,以减轻构件的重量,而且要有良好的焊接性和成形性等工艺性能。 类别按照合金化程度及显微组织,超高强度钢可分为低合金、中合金和高合金超高强度钢三类。 在高合金超高强度钢中又有马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢等(见金属的强化)。 低合金超高强度钢是由调质结构钢发展起来的,含碳量一般在0.3〜0.5%,合金元素总含量小于5%,其作用是保证钢的淬透性,提高马氏体的抗回火稳定性和抑制奥氏体晶粒长大,细化钢的显微组织。 常用元素有镍、铬、硅、锰、钼、钒等。 通常在淬火和低温回火状态下使用,显微组织为回火板条马氏体,具有较高的强度和韧性。 如采用等温淬火工艺,可获得下贝氏体组织或下贝氏体与马氏体的混合组织,也可改善韧性。 这类钢合金元素含量低,成本低,生产工艺简单,广泛用于制造飞机大梁、起落架构件、发动机轴、高强度螺栓、固体火箭发动机壳体和化工高压容器等。 中合金超高强度钢热作模具钢的改型钢,典型钢种有4Cr5MoSiV钢。 这类钢的含碳量约0.4%,合金元素总含量约8%,具有较高的淬透性,一般零件经高温奥氏体化后,空冷即可获得马氏体组织,500〜550C回火时,由于碳化物沉淀产生二次硬化效应,而达到较高的强度。 这类钢的特点是回火稳定性高,在500C左右条件下使用,仍有较高的强度,一般用于制造飞机发动机零件。 马氏体时效钢典型钢种有18Ni马氏体时效钢,含碳小于0.03%,镍约18%,钻8%。 根据钼和钛含量不同,钢的屈服强度分别可达到140、175和210kgf/mm2。 从820〜840C固溶处理冷却到室温时,转变成微碳Fe-Ni马氏体组织,其韧性较Fe-C马氏体为高,通过450〜480C时效,析出部分共格金属间化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),达到较高的强度。 镍可使钢在高温下得到单相奥氏体,并在冷却到室温时转变为单相马氏体,而具有较高的塑性。 同时镍也是时效强化元素。 钻能使钢的马氏体开始转变温度升高,避 免形成大量残留奥氏体。 这类钢的特点是强度高,韧性高,屈强比高,焊接性和成形性良好; 加工硬化系数小,热处理工艺简单,尺寸稳定性好,常用于制造航空器、航天器构件和冷挤、冷冲模具等。 9Ni-4Co型超高强度钢含9%镍使钢固溶强化和提高韧性,加4%钻的作用在于尽量减少钢中残留奥氏体量,钼和铬是为了产生沉淀硬化效应。 含碳0.20〜0.30%时,抗拉强度可达130〜160kgf/mm2,断裂韧度达400kgf/mm帮以上。 综合性能好,抗应力腐蚀性高,具有良好的工艺性能,常用于航空、航天工业。 沉淀硬化不锈钢简称PH不锈钢,是在不锈钢的基础上发展起来的具有抗腐蚀性能的超高强度钢。 合金元素总含量约为22〜25%。 按高温固溶处理后冷至室温时显微组织的不同,可分 为奥氏体型、半奥氏体型和马氏体型三类。 典型钢种有0Cr17Ni7AI和0Cr15Ni7Mo2AI,抗拉强度约为160kgf/mm2。 这类钢有良好的耐蚀性、抗氧化性。 钢的强化是通过固溶处理、冷处理或形变后再时效,析出弥散沉淀相而实现的。 这类钢主要用于制造高应力耐腐蚀的化工设备零件、航空器结构件和高压容器等(见不锈耐酸钢)。 生产工艺超高强度钢对冶金质量要求高,通常采用电弧炉和电渣重熔冶炼。 要求纯度高的钢种,多采用真空感应炉或真空自耗电弧炉冶炼。 中、低合金超高强度钢在热处理时应防止脱碳;马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢,可以用普通加热炉固溶处理。 焊接时须采用保护气体焊接或采用钨极氩弧焊接。 某些含碳较高的(0.4%左右) 低合金超高强度钢,焊接后应立即进行去应力退火。 超高强度钢的分类 按钢中所含合金元素总量,超高强度钢分为低、中、高三种合金系。 低合金超高强度钢以其廉价及综合性能好而得到广泛应用,是超高强度钢中研究最多、最成熟的钢种。 这类钢的合金元素总含量不高于5%(质量分数,下同), 如4340钢(40GrNiMo)和300M钢。 中合金超高强度钢的合金元素总含量为5%~10%,是从热作模具钢改进后得到的中碳合金钢,主要有4Gr5MoSiV(H-11),4Gr5MoSiV4(H-13)和38Gr5Mo2VA(GC-19)等。 中合金超高强度钢与低合金超高强度钢有类似的缺点,即断裂韧度(KIC) 不高和抗应力腐蚀能力差,不能完全满足现代航空航天材料的要求。 高合金超高强度钢的合金元素总含量大于 10%,其中18Ni马氏体时效钢的合金元素总量超过30%。 获得发展和应用的 主要有马氏体时效钢、HP-9-4-X系列和低碳、高钻镍二次硬化钢等。 1高合金超高强度钢 1.1马氏体时效钢 马氏体时效钢是一种以Fe-Ni为基础的高合金钢,它通过金属间化合物在含碳极低的高Ni,马氏体基体中弥散析出来获得超高强度。 当Ni,含量大于6% 时,高温奥氏体冷却至室温时转变为马氏体,再加热至约500摄氏度,此马氏 体仍保持稳定。 已用于工业生产的马氏体时效钢的C含量不高于0.03%,Ni含量在18%~25%,同时还添加有各种能产生时效硬化的合金元素,如Mo,Ti,, Al,Nb和Co等。 为了获得高韧度,应尽量降低钢中的P,S,C和N含量。 根据Ni,含量,马氏体时效钢分为18Ni,20Ni和25Ni三种类型,其中 18Ni马氏体时效钢因加工容易,应用最广泛18Ni马氏体时效钢随着Ti含 量从0.20%提高到1.4%,屈服强度可以在1375~2410MPa之间变化,其分为200,250,300,350和400ksi五个级别,商业名称分别为M200,M250
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