超高强度钢研究进展及其在军事上的应用

超高强度钢研究进展及其在军事上的应用

随着洁净化、微合金和控轧控冷等先进冶金技术在钢铁企业的逐步推广和应用，钢材的品质得到了大幅度提高，发达国家正在研制相当于目前常用钢材抗拉强度数倍的超高强度钢。这种钢具有超细化、超洁净、超均质的组织和成分的特征，以及超高强度和超高韧性的特点。超高强度钢与普通结构钢的强度的界限目前尚无统一规定，习惯上是将室温抗拉强度超过1400MPa、屈服强度大于1200 MPa 的钢称为超高强度钢。超高强度钢除了要求其高的抗拉强度外，还要求具有一定塑性和韧性、尽可能小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等。超高强度钢现在已发展成为应用范围很广的一类重要钢种，如已经大量应用于火箭发动机外壳、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域，而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军事装备上。因此，超高强度钢不仅是钢铁材料研究的重要方向，而且具有广阔的应用和发展前景。

超高强度钢的发展

超高强度合金钢是为满足某些特殊要求发展起来的，按其物理冶金学特点，超高强度钢大体可以分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢和马氏体时效钢。目前，典型的低合金超高强度钢是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高强度钢是HY180 和AF1410，由于马氏体时效钢属高合金钢，

在这里将不拟述及。

1 低合金超高强度钢

低合金超高强度钢大多是AISI 4130、4140、4330 或4340的改进型钢种。AISI 4340 是最早出现的低合金超高强度钢，它于1950 年开始研究，并于1955 年开始用于飞机起落架。通过淬火和低温回火处理，AISI 4130、4140、4330 或4340钢的抗拉强度均可超过1500MPa，而且缺口冲击韧性较高。

为了抑制低合金超高强度钢回火脆性，1952 年美国国际镍公司开发了300M。该钢通过添加了1％～2％的硅来提高回火温度（260～315℃），并可抑制马氏体回火脆性。另外，通过调整碳含量和添加少量钒，又开发了AMS 6434 和LadishD6AC 钢。20 世纪80 年代，我国通过对AISI 4330 的改进，研制开发了高强韧性能的685 和686 装甲钢。在工艺性能相当的条件下，高性能685 装甲钢的抗枪弹和抗炮弹性能优于目前我国大量应用的前苏联2П和43ПСМ装甲钢。在AISI 4340 的基础上，我国还研制了新型超高硬度695 装甲钢，其抗穿甲弹防护系数达到1.3 以上。值得注意的是，尽管以4340 和300M 钢为代表的低合金超高强度钢具有高强度，但它们的断裂韧性和抗应力腐蚀能力都比较差，因而其应用受到了一定的限制。国外典型的低合金超高强度钢的化学成分见表

1。

表1 国外常用低合金超高强度钢合金的化学成分(mass％)

2 二次硬化超高强度钢

随着航空工业的快速发展，开发强度高(1586～1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。研究者于20 世纪70 年代开发了HY180钢。为了达到航空构件材料的损伤容限和耐久性，70 年代末Speich 和Chendhok 等在对Fe10Ni 系合金钢进行的研究基础上，对HYl80 进行了改进，开发了AF1410超高强度合金钢，该钢经830℃油淬+510℃时效后，σ0.2≥1517MPa，KⅠc≥154MPa·m1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。

在保持AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上，为进一步提高其强度及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度，1991 年Hemphill 等开发了Aermet100 超高强度合金钢。该钢与AF 1410 [FS:PAGE]钢

相比，强度有了进一步提高(屈服强度提高到2000 MPa)，但韧性稍有下降(断裂

韧性为115MPa·m1/2)。

我国近年来一直在二次硬化钢上寻求突破，目前已经成功地研制出具有我国特色的G99 和G50 新型超高强度钢。G50 是一种经济型无钴低合金超高强度钢，是我国自行研制的用于航天的专利钢种，其主要特点是成本低(无Co 低Ni)、高强高韧(σb≥1660MPa，KⅠc≥105MPa·m1/2)。为对比，现将几种二次硬化钢的性能列于表2 中。根据表2 力学性能指标可以看出，二次硬化超强钢在强度要求≥1500MPa 以上，AF 1410 韧性最好，国产的两种钢其次，Aemet 系列偏低，9Ni-5Co 的韧性好但强度偏低； Aemet100 和国产两种超强钢在屈强比、韧强比等方面配比较合理，Aemet100 更为突出。几种典型二次硬化超高强度钢的化学成分和室温力学性能见表2 和表3 。

2 二次硬化超高强度钢

随着航空工业的快速发展，开发强度高(1586～1724MPa)、断裂韧性好(125 MPa·m1/2)、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。研究者于20 世纪70 年代开发了HY180钢。为了达到航空构件材料的损伤容限和耐久性，70 年代末Speich 和Chendhok 等在对Fe10Ni 系合金钢进行的研究基础上，对HYl80 进行了改进，开发了AF1410超高强度合金钢，该钢经830℃油淬+510℃时效后，σ0.2≥1517MPa，KⅠc≥154MPa·m1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。

在保持AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上，为进一步提高其强度及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度，1991 年Hemphill 等开发了Aermet100 超高强度合金钢。该钢与AF 1410 钢相比，强度有了进一步提高(屈服强度提高到2000 MPa)，但韧性稍有下降(断裂韧性为

115MPa·m1/2)。

我国近年来一直在二次硬化钢上寻求突破，目前已经成功地研制出具有我国特色的G99 和G50 新型超高强度钢。G50 是一种经济型无钴低合金超高强度钢，是我国自行研制的用于航天的专利钢种，其主要特点是成本低(无Co 低Ni)、高强高韧(σb≥1660MPa，KⅠc≥105MPa·m1/2)。为对比，现将几种二次硬化钢的性能列于表2 中。根据表2 力学性能指标可以看出，二次硬化超强钢在强度要求≥1500MPa 以上，AF 1410 韧性最好，国产的两种钢其次，Aemet 系列偏低，9Ni-5Co 的韧性好但强度偏低； Aemet100 和国产两种超强钢在屈