第7章 超高強(qiáng)度鋼

超高強(qiáng)度鋼5/6/20231主要內(nèi)容基本知識(shí)介紹實(shí)例介紹低合金超高強(qiáng)度鋼低碳馬氏體超高強(qiáng)度鋼二次硬化鋼馬氏體時(shí)效鋼5/6/20232基本知識(shí)介紹超高強(qiáng)度鋼：屈服強(qiáng)度σb>1500MPa。用途飛機(jī)起落架、機(jī)身骨架火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體常規(guī)武器某些零件高壓容器要求1、合適的塑性2、一定的沖擊抗力和斷裂韌性3、較高的高周和低周疲勞抗力4、較高的缺口強(qiáng)度和缺口塑性5、適當(dāng)?shù)目珊感猿浞挚紤]：抗拉強(qiáng)度：σ沖擊韌性：ak或Ak斷裂韌性：KIC＝γσca1/2（a：裂紋長(zhǎng)度的一半，σc：裂紋快速失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界作用力γ：系數(shù)）σb越高其缺口強(qiáng)度越低說(shuō)明了超高強(qiáng)度鋼對(duì)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含量增高而降低組織設(shè)計(jì)＋成分設(shè)計(jì)5/6/20233基本設(shè)計(jì)原則

之組織的設(shè)計(jì)較高強(qiáng)度的要求：σb>1500MPa在超高強(qiáng)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(cuò)馬氏體5/6/20234基本設(shè)計(jì)原則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(duì)于超高強(qiáng)度鋼來(lái)說(shuō)總結(jié)起來(lái)可歸納為：為得到優(yōu)異的強(qiáng)韌性配合，M的C含量<0.30%因?yàn)殇撝笑?Fe的過(guò)飽和間隙固溶的強(qiáng)度是最有效的。但如果所固溶的C量低于0.25％時(shí)，幾乎不存在點(diǎn)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(huì)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?yàn)镾i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(shí)，主要組織為位M，需加入合金形成金屬間化合物，起彌散強(qiáng)化作用。超低C馬氏體所具有的可動(dòng)螺位錯(cuò)難以分解，易發(fā)生交叉滑移，所以其是個(gè)高塑性相，因此需要添加二次強(qiáng)化相來(lái)強(qiáng)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(qiáng)碳化合物形成元素，高溫回火彌散析出強(qiáng)化細(xì)化馬氏體條，束嚴(yán)格控制P、S含量；以及變形熱處理5/6/20235實(shí)例介紹第一例：低合金超高強(qiáng)度鋼由于其合金元素含量低，熱加工工藝簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉，因而被廣泛用于航天、航空和常規(guī)武器等領(lǐng)域(如飛機(jī)起落架、炮筒和防彈鋼板等）。但其韌性不高是制約此類鋼推廣應(yīng)用到民用產(chǎn)品及大規(guī)模應(yīng)用的最關(guān)鍵因素。5/6/20236σb＝1500～2100Mpa塑性和回火穩(wěn)定性強(qiáng)度因素Wc＝0.30～0.40％含C量確定5/6/20237合金含量的確定具有300℃以上的回火穩(wěn)定不引起Ms點(diǎn)過(guò)分降低，否則增加淬火開(kāi)裂性獲得恰當(dāng)?shù)腗淬透性Cr被限制，但為求淬透性可用～1.0％Cr加Si增加回火穩(wěn)定性強(qiáng)碳化合物使用Mo為降低缺口敏感性，加Ni盡量約束S、P、O、H和N等的含量經(jīng)濟(jì)考慮，立足國(guó)內(nèi)資源30CrMnSiNi2A鋼（0.26～0.33C，0.90～1.20Si，1.0～1.30Mn，0.9～1.2Cr，1.40～1.80Ni）此鋼經(jīng)馬氏體淬火后250℃低溫回火得到σb＝1700～1800Mpa，ak＝80～90J/cm235Si2Mn2MoVA鋼（0.32～0.38C，1.40～1.70Si，1.60～1.90Mn，0.35～0.45Mo，0.10～0.20V）此鋼經(jīng)920℃淬火和250℃回火后，σb>1700Mpa,ak=50J/cm25/6/20238第二例：低碳馬氏體超高強(qiáng)度鋼

本例是在低碳馬氏體鋼20SiMnMoV（0.20C，1.25Si，2.48Mn，0.34Mo，0.11V）基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的。20SiMnMoV鋼經(jīng)淬火并205℃低溫回火后，其KIC值很高，約為1960N/mm3/2,ak=160J/cm2，但σb不算高，剛達(dá)到超高強(qiáng)度的要求，因此有必要通過(guò)合理的設(shè)計(jì)增高其強(qiáng)度，使其跨入超高強(qiáng)度的范疇，以其獲得強(qiáng)韌性組合更趨完善。5/6/20239基本設(shè)計(jì)思路為取得更高水平的強(qiáng)度，增高M(jìn)固溶的C含量為0.25％。由于M條間穩(wěn)定的殘余奧氏體薄膜可使裂紋鈍化或分叉，因此希望得到M條間的穩(wěn)定A存在來(lái)改善韌性加入Ni～1.50％保留Mn，提高Ar的穩(wěn)定性考慮回火脆性加入0.30％Mo抑制回火脆性加入Si增加回火抗力，加Cr提高淬透性加V細(xì)化晶粒綜上得出：低碳馬氏體鋼的理論設(shè)計(jì)成分：0.25C，2.0Mn，1.80Si，1.0Cr，1.5Ni，0.8Mo，0.12V選擇化學(xué)成分為：0.23C，1.76Si，2.0Mn，1.5Cr，1.54Ni，0.79Mo，0.13V，S<0.01,P<0.01組織：300~350℃回火，為位錯(cuò)M＋條件存在的Ar性能：σ0.2>1420MPa,σb>1765MPa,KIC>3920N/mm3/25/6/202310第三例：二次硬化鋼

二次硬化鋼主要用以制作超音速飛機(jī)中再中溫下承受高應(yīng)力的構(gòu)件和軸、螺栓等零件的鋼材，其要求是具有高的強(qiáng)度，同時(shí)亦要求在較高的溫度下仍然保持高的強(qiáng)度，因此其強(qiáng)度要求主要從二次硬化效應(yīng)方面著手。5/6/202311設(shè)計(jì)思路提出二次硬化有效性的評(píng)定方式二次硬化作用的硬化”強(qiáng)度“出現(xiàn)最大二次硬化作用的溫度二次硬化作用的過(guò)時(shí)效速度綜合考慮合金元素Cr、Mo、V的二次硬化作用首先考慮元素Cr，鋼中添加Cr可有以下作用：（1）提高馬氏體的淬透性；（2）使鋼在較高溫度下具有較好的耐蝕性和抗氧化性；（3）加入6％Cr可賦予鋼以較高的回火抗力，不過(guò)并未構(gòu)成二次硬化效應(yīng)，但可以很快的產(chǎn)生過(guò)時(shí)效MO是另一個(gè)值得考慮的合金元素，加入Mo產(chǎn)生二次硬化作用可明顯的提高回火抗力。并且只要其含量在1.0％～3.0％左右就可達(dá)到極值的效果（如左圖），比較合理的是2～2.5％，Mo的二次硬化“強(qiáng)度”和其最大的硬化“強(qiáng)度”溫度所對(duì)應(yīng)的溫度皆高于Cr，但過(guò)時(shí)效速度較低。Mo含量與二次硬化作用圖V也是一個(gè)值得考慮的元素，采用0.5％V即可產(chǎn)生二次硬化（如左圖）如果V含量過(guò)高時(shí)因?yàn)橐倘躒4C3將要在奧氏體溫度下保持較長(zhǎng)的時(shí)間，容易引起奧氏體的粗化。在2％Mo鋼中加入0.5％V尚不足以構(gòu)成V4C3然V可固溶于Mo2C，提高其穩(wěn)定性和形成溫度，降低過(guò)時(shí)效速度。所以加入量～0.5％時(shí)，并不直接產(chǎn)生二次硬化作用，而是間接的為二次硬化服務(wù)的。V的含量和回火性能根據(jù)上述三個(gè)合金元素各自的二次硬化作用的表現(xiàn)可得：（1）、碳化物形成的傾向性：Cr<Mo<V；（2）、碳化物長(zhǎng)大和過(guò)時(shí)效的抗力：Cr7C3<Mo2C<V4C3（3）、產(chǎn)生二次硬化的溫度：Cr7C3的二次硬化溫度約為500℃，Mo2C為575℃，V4C3為600～625℃（4）、在回火時(shí)，合金元素阻止馬氏體位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)消除的作用取決于合金元素對(duì)鐵原子自擴(kuò)散速率的影響：Cr<Mo<V基于上述原理，得到現(xiàn)在發(fā)展的鋼種成分是：0.4C，0.75Si，1.5Cr，2.0Mo，1.5V。其在600℃回火，σb＝1800MPa,若于650℃回火，σb則為1560MPa5/6/202312第四例：馬氏體時(shí)效鋼

馬氏體時(shí)效鋼以無(wú)碳(或超低碳)鐵鎳馬氏體為基體，400～550℃時(shí)效時(shí)能產(chǎn)生金屬間化合物沉淀硬化的超高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用于航空、航天以及軍事等尖端領(lǐng)域。其是運(yùn)用強(qiáng)韌化理論解決實(shí)際鋼強(qiáng)韌性一個(gè)比較成功了例子。5/6/202313設(shè)計(jì)的構(gòu)思方向以高塑性的超低碳位錯(cuò)馬氏體和具有高時(shí)效硬化作用的共格金屬間化合物的組織，以期能得到優(yōu)異的強(qiáng)韌配合超低碳馬氏體的獲得；要求在空冷，甚至退火條件下也可形成馬氏體能有效的產(chǎn)生時(shí)效硬化作用促使馬氏體更加韌性5/6/202314具體成分設(shè)計(jì)首先C含量的應(yīng)限定在0.03％以下，否則難以達(dá)到塑性要求。這種鋼的一個(gè)不平凡的特點(diǎn)就是，強(qiáng)化完全拋開(kāi)了C的作用。合金元素的設(shè)計(jì)這類鋼的沉淀硬化只能依靠金屬間化合物的析出，有序相AB3是很有效的硬化相，因此應(yīng)向鋼中加入Ni，Mo，Ti和Al等元素，其中Ni的量要加入相當(dāng)?shù)母?。另一個(gè)要提到的元素就是Co，Co可以和Mo間產(chǎn)生協(xié)作效應(yīng)，從而體現(xiàn)在于Co對(duì)Ni3Mo這個(gè)主要沉淀硬化相的形成動(dòng)力學(xué)與其分布狀態(tài)的改變上。

各元素的具體作用Co與Mo之間的協(xié)調(diào)作用主要表現(xiàn)在：（a）Co降低Mo在馬氏體中的固溶度，從而促進(jìn)Mo的沉淀相形成。（b）Co可改變馬氏體的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，為隨后的沉淀相形成提供出更多的形核位置，因而可使沉淀相粒子更為細(xì)小而又分布均勻，減小沉淀相粒子間距。此外，Ni、Mo和Ti都降低Ms，而Co還能提高M(jìn)s點(diǎn)，這也是加入Co的又一個(gè)理由Ni由于消除了馬氏體的C、N間隙固溶，雖然使使其保持了高塑性的性質(zhì)，但同樣也是馬氏體的承受和傳遞外加應(yīng)力的能力下降，則需要加入某些置換固溶的合金元素如Ni，此外Ni能使螺位錯(cuò)不易于發(fā)生分解，保證交滑移的發(fā)生，提高塑性。因此相鋼中加入Ni是改善馬氏體的強(qiáng)、塑性所需要的。MoMo除參與構(gòu)成稱定硬化相外，還具有一下效應(yīng)，（1）在凝固時(shí)造成偏析，從而誘生各向異性；（2）通過(guò)降低合金元素的擴(kuò)散能力，減少時(shí)效時(shí)沉淀相的擇優(yōu)析出，因而增高鋼在時(shí)效后的塑性。5/6/202315馬氏體時(shí)效鋼的熱處理

馬氏體時(shí)效鋼熱處理工藝簡(jiǎn)單，這也是其另一優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)工藝為850～870℃下固溶，隨后空冷或水淬，冷卻速度對(duì)組織和性能影響不大。然后再加熱到480℃時(shí)效，強(qiáng)度級(jí)別高的鋼種可采用510℃，時(shí)效時(shí)間為3—6h，時(shí)效后空冷。其所含元素除Co外，皆降