超高强度结构钢的历史及发展

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ＡＭＳ６４１７Ｄ。同样Ｄ６ＡＣ、的标准从１９６４ 年的ＡＭＳ６４３１Ａ到１９８０年已修订为 ＡＭＳ６４３１Ｆ。每一次修订均在钢的内在质 量、纯净度和低倍等方面提出了更高的要 求。 １．２中合金超高强度钢
中舍金超高强度钢是从热锻模钢改 进后发展起来的中碳超高强度钢，约含 Ｏ．２５～Ｏ．５５％的碳，合金元素含量在５％～ １０％之间。主要合金元素是铬、钼、钨、 钒等碳化物形成元素。这类钢经奥氏体化 后空淬即可得到马氏体，具有较高的淬透 性，所以又称为空淬钢。钢的力学性能和 工艺性能基本决定于碳含量。由于钢中含 有较多的强碳化物形成元素铬、钼、钒等， 在一定温度范围内回火时，通过铬、钼、 钒的复合作用，在马氏体中析出极细小 的、弥散的Ｍ２Ｃ、ＭＣ型碳化物，产生二 次硬化，使回火马氏体的强度得到进一步 的提高。该类钢回火稳定性高，可在中温 下使用，使用温度可达５００℃。但如果在 室温下使用，并不比低合金超高强度钢优 越。典型的中合金超高强度钢是Ｈ—１１改 型钢和Ｈ一１３即５Ｃｒ－Ｍｏ．Ｖ。飞机用钢的 材料规范包括ＡＭＳ６４３７、ＡＭＳ６４８５、 ＡＭＳ６４８７、ＡＭＳ６４８８等。英国有钢号 ＨＳＴｌ４０等。我国常用的钢号为
１ 国外超高强度钢的发展历史 超高强度钢最先是为满足航空、航天
需要而发展起来的，按其成分和组织，分 为以下三类：①低温回火马氏体组织的低 合金系超高强度钢；②高温回火析出合金 复合碳化物二次硬化组织的中合金系超 高强度钢；③在低碳马氏体中析出金属间 化合物时效组织的高合金系超高强度钢
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１．１低合金超高强度钢 低合金超高强度钢是在调质结构钢
的基础上发展起来的，在钢中加入少量的 多种合金元素，使钢固溶强化并提高钢的 淬透性与马氏体回火稳定性。主要合金元 素是锰、铬、硅、镍、钼、钒等，其合金 元素总含量一般不超过５％。这类钢与一 般合金结构钢相比，除钼含量稍高外，其 它元素基本上无多大差别，大致可分为铬 钼钢、铬镍钼钢、铬锰硅钢、铬锰硅镍钢、 硅锰铝钒钢等几个钢系。含碳量一般为 Ｏ．２７％～Ｏ．５０％。最终热处理一般是淬火 加低温回火或等温淬火。使用状态下的组 织是回火马氏体或下贝氏体，其强度主要 取决于钢中含碳量或者说马氏体固溶的 碳浓度。研究表明，低合金超高强度锯的 抗拉强度与含碳量里直线关系：ｐｌ
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超高强度钢的时间大体上与美国同步，钢 了新型经济合金化的低合金超高强度钢
种有自己的体系最有代表性的是３０ｘ ｒ
３５ｘ Ｃ Ｈ３Ｍ１Ａ（ＢＫＣ－－８）和３５Ｘ Ｃ ２
Ｃ Ｉ－１２Ａ和４０ＸＨ２Ｃ Ｍ Ａ（３ １４６４３）钢。Ｈ３Ｍ１中Ａ（ＢＫＣ－－９），其抗拉强度分别 ３０ｘ ｒ Ｃ Ｈ２Ａ是在３０ｘ ｒ Ｃ Ａ基础上加 可达到１８００～２０００ＭＰａ和１９５０～ 入１．４～１．８％的镍而得到低合金超高强度 ２１５０ＭＰａ。
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前为止几乎所有的民航飞机仍在大量使 用３００Ｍ，且在世界范围内被广泛采用。 如Ｆ一１５、Ｆ一１６、ＤＣ—ｌＯ、ＭＤ一１１、 Ｂｏｅｉｎ９７４７等飞机的起落架及Ｂｏｅｉｎ９７６７ 飞机机翼的襟滑轨、缝翼管道等均用 ３００Ｍ钢制造。美国于６０年代初开始研制 Ｄ６ＡＣ，它是由ＡＩＳｌ４３４０钢改良而成的低 合金超高强度钢，被广泛用于制造战术和 战略导弹发动机壳体及飞机结构件Ｉ ５、６１。 到了７０年代中期逐渐地取代了其它合金 结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳
１４
体的专用钢种。如美国新型地空导弹“爱 钢，由于镍的加入，提高了钢的强度、塑
国者”，小型导弹“红眼睛”，大中型导弹 性和韧性，也提高了钢的淬透性。由此改
“民兵”、“潘兴”、“北极星”，“大力神”
良和派生出了一系列钢种，如：３０ｘ ｒ Ｃ
等。美国航天飞机的中３．７米助推器也采ＨＭＡ、３０Ｘ２ｒ ｃＨ２ＢＭ、３０Ｘ２Ｈ２Ｃ
表１ 欧美国家常用低合金超高强度钢化学成分
ＡＩＳｌ４３４０钢是最早出现的低合金超 高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型 代表。美国从１９５０年开始研究４３４０钢， １９５５年正式用于飞机起落架。１９５２年美 国国际镍公司又研制开发了３００Ｍ钢，它 是在ＡＩＳｌ４３４０钢的基础上加入约１．５％的 硅和Ｏ．０５～Ｏ．１０％的钒以及稍微提高碳和 钼的含量而发展起来的，在避免低温回火 脆性的同时提高延迟破坏特性。３００Ｍ钢 在１９６６年以后作为美国的军机和主要民 航飞机的起落架材料获广泛的应用，到目
表２俄罗斯常用低合金超高强度钢化学成分嗍
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织，改善回火马氏体的韧性。在低台金超
若碳含量高到Ｏ．５０％时，钢的强度接近 高强度钢中常加入一定量的铝，也有改善
２３００ＭＰａ。含碳量对钢性能的影响是非常 回火马氏体韧性和塑性的作用，因为钼能
显著的。随着含碳量增加，强度虽大大提 破坏碳化物薄膜的连续性【１】。
高，但其塑性和韧性也明显降低，工艺性
低合金超高强度钢是超高强度钢中
由于超高强度钢具有很高的强度，钢 对各种表面缺陷如裂纹、夹杂、焊缝和表 面加工所造成缺陷十分敏感。使用过程中 有应力作用时，在塑性变形很小的情况 下，裂纹即扩展到临界尺寸并突然扩展， 导致材料发生灾难性的脆性破坏。因此， 近年来如何降低超高强度钢的缺口敏感 性，提高钢的韧性成了人们努力的方向。 为了改善钢的韧性，提高钢在工作条件下 的安全可靠性，严格限制钢中夹杂、气体 及有害杂质元素的含量是一种有效的方 法。近年来广大冶金工作者围绕如何降低 钢中有害杂质元素含量和改善夹杂物的 形态，努力提高钢的韧性等方面做了大量 的工作，特别是超纯净化技术的迅速发 展，可使钢中的有害元素的含量降至ｐｐｍ 级。所以目前超高强度钢的生产倾向于采 用炉外精炼、真空感应、电渣重熔和真空 自耗重熔等提高钢的纯净度的冶炼工艺。 美国的钢种多采用真空感应加真空自耗 重熔的双真空工艺，俄罗斯多采用电渣重 熔的冶炼工艺。从生产检验标准的变化来 看，也说明人们在努力追求更高的纯净度 和更高的冶金质量。如美国的３００Ｍ钢， １９６１年ＳＡＥ颁布了第一个标准，即采用 非真空冶炼的ＡＭＳ６４１６，１９６８年ＳＡＥ又 颁布了采用真空冶炼的ＡＭＳ６４１７，１９７６ 年修订为ＡＭＳ６４１７Ｂ，１９８９年修订为 ＡＭＳ６４１７Ｃ，到１９９１年修订为
义。为了提高回火马氏体的塑性和韧性，
百度文库
国外低合金超高强度钢总体可归纳
通常在钢中加入镍、少量铬和硅，尤其在 为欧美系列和俄罗斯（前苏联）系列，欧
钢中加入ｌ～２％的硅能使钢产生低温回 美系列又以美国钢号为主。表１和表２分
火脆性的回火温度范围移向更高的温度，
别为欧美和俄罗斯常用的低合金超高强
所以现在发展的低合金超高强度钢中一 度钢的牌号及化学成分。
能（如加工性，焊接性等）也随之恶化，
发展最早的一类，它的生产成本低廉，生
因此碳含量一般不超过Ｏ．５０％。
产工艺比较简单、、用量大，主要用于航空
低合金超高强度钢通常在低温回火 航天领域高强度结构件。它的用量至今仍
状态下使用，因此改善回火马氏体的韧性 占超高强度钢总产量的大部分，本文也主
和塑性，对降低缺口敏感性有着重要的意 要概述低合金超高强度钢的发展状况。
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除美国和俄罗斯外，其它国家的超高 强度钢钢种较少。法国有３５ＮＣＤｌ６、 ３２ＣＤＶｌ３等。日本等国家的超高强度基本 上与美国相近。如ＪＩＳ－－ＳＮＣＭ４３９相当于 ＡＩＳｌ４３４０钢。美国的４３４０、３００Ｍ钢等基 本上已成为全世界通用的钢种，世界主要 工业国家如英国、法国、德国、日本、加 拿大、奥大利、意大利、澳大利亚等国都 生产３００Ｍ钢。
用Ｄ６ＡＣ钢制造。Ｄ６ＡＣ还曾用于制造Ｆ
ＢＭ中Ａ、３０Ｘ２ｒ ｃＨＢ Ａ等。４０ＸＨ２
—１１１飞机的起落架和机翼轴等。因此 ＣＭＡ是在４０ＸＩ－１２ＭＡ基础上发展起来
Ｄ６ＡＣ钢是宇航工业使用的优秀材料之 的，４０Ｘ Ｈ２ｃ Ｂ Ａ是用ｗ代替４０Ｘ Ｈ２
一。俄罗斯在前苏联时期开始研制低合金 ｃ Ｍ Ａ中Ｍｏ而成的。近十几年来又研制
ｏｔ＝（２９４ＸＣ％＋８２）×９．８ＭＰａ
式中，Ｃ％表示钢中碳含量，适用范围为 Ｏ．３０～０．５０％。按公式计算，当碳含量为
般都加有１％～２％硅，３００Ｍ钢就是典型 的事例。钢中加入适量的钒、钛、铌等能
０．３０％时，钢的强度在１７００ＭＰａ左右：碳 细化奥氏体晶粒，因而可细化马氏体组
含量为Ｏ．４０％时，强度为２０００ＭＰａ左右，
超高强度结构钢的历史及发展
刘宪民王春旭刘蕤王维明 王淑琴
（钢铁研究总院）
＠
摘要胁述了国外超高强度钢和国内低合金超高强度钢的历史及发展过程，并介绍了超
高强度钢晟新研究动态和发展趋势。
关键词超高强度锈历赛ｌ译
钢铁是国民经济建设的物质基础，工 农业生产和人民生活都离不开钢铁材料。 至少在目前情况下还没有任何材料能够 全面取代钢铁材料，特别是航天航空和军 工生产方面更是如此。随着现代科学技术 的迅速发展，要求钢材的承载能力不断地 提高，即要求钢材具有高的比强度和比刚 度，那些高效能的动力驱动装置，都要求 尽可能的减轻自重以增加有效负荷，提高 运行速度，节省能源消耗。超高强度钢就 是根据这种需求为适应航空航天技术需 要而发展起来的一种比强度高的结构材 料，是从四十年代以来逐渐发展起来的一 个新型钢类，其显著特点是具有超乎一般 的高强度。超高强度钢与普通结构钢的强 度区分界限，目前尚无统一规定，一般习 惯上将其室温抗拉强度ａ“超过１４００ＭＰａ， 屈服强度大于１３００ ＭＰａ的称为超高强度 钢”１。超高强度钢除要求１４００ ＭＰａ以上的 抗拉强度外，还要有一定塑性和韧性，尽 可能小的缺口敏感性，高的疲劳强度，一 定的抗蚀性、良好的工艺性，符合资源情 况及价廉等。超高强度钢现在已发展成为 包括范围很广的一个钢类，已大量应用于 火箭发动机外壳、飞机着陆部件、防弹钢 板等领域，其使用范围还在不断的扩大， 具有广阔的发展前景。