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1200MPa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AISI4340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AISI4130、4140、4330或4340的改进型钢种。AISI4340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，AISI4130、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AMS6434和LadishD6AC钢。20世纪80年代，我国通过对AISI4330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AISI4340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(125MPa·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AF1410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AF1410钢相比，强度有了进一步提高(屈服强度提高到2000MPa)，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，AF1410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。

表2几种二次硬化超高强度钢的室温力学性能比较

表3几种典型二次硬化超高强度钢的化学成分（mass%）

我国超高强度钢的研究进展

1低合金超高强度钢

我国低合金超高强度钢的研究开始于20世纪50年代，一是仿制国外已有的牌号，五六十年代主要以仿制前苏联的钢种为主，如30CrMnSiNi2A，70年代开始以仿制美国的钢种为主，如4340、300M、D6AC等。二是根据我国的资源情况和工程的需要，自主开发研制了具有我国特点的低合金超高强度钢，如406钢等。

我国成功仿制了一系列国外钢种，在许多重大工程中发挥了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A是仿制前苏联30XГCH2A钢生产的。70年代开始仿制美国的钢种，最具代表性的有40CrNi2MoA钢，是仿4340钢研制而成的；40Si2Ni2CrMoV A钢是仿美国的300M 钢研制的，45CrNiMo1V A是仿D6AC钢研制的。

50年代，我国立足国内资源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金钢种，如无镍铬的35Si2Mn2MoVA，不含镍的406、D406A、40CrMnSiMoV A(GC-4)，含少量镍的

37Si2MnCrNiMoV A等。406钢是我国自行设计、自行研制最成功的典范，它是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢。为了提高材料的韧性又开发了D406A，该钢的σb＞1620MPa，KⅠc＞87MPa·m1/2优于406钢（σb＞1862MPa，KⅠc＞72MPa·m1/2）。

我国常规武器用超高强度钢自50年代开始研究以来，在科研人员的努力下，开发出一批符合我国资源配比的高强度钢，它们广泛应用于我国步兵轮式战车、枪、炮、弹等领域。我国新研发的速射武器身管用钢获得了国家二等科技发明奖，该钢属贝氏体钢范畴，经调质处理后具有优良的综合力学性能、高温性能及疲劳性能（σb＞1690MPa，KⅠc>99MPa·m1/2），应用于速射武器身管、耐烧蚀零件（如气体调整器、活塞等）。另外，立足于我国资源而研制的中碳低合金钢（σb＞1740MPa，KⅠc＞91.5MPa·m1/2），该钢主要用于制造机枪的枪管、活塞、击针以及小口径火炮的炮箱、受弹器、高强度螺栓和轴等。新型高硬度装甲钢（σb＞1440MPa，KⅠc＞87MPa·m1/2，HRC＞44），是我国为改善高压钨钢焊接性能而自行研制的新钢种，应用于轻型坦克的薄板装甲板、履带车辆等领域。

2二次硬化超高强度钢的研究进展

近年来，国内又先后研制了G99和G50两种超高强度钢。G99是由我国钢铁研究总院、长城特殊钢公司、航天部七O三所、东北大学共同承担研制的，该钢的σb>1520MPa，KⅠc>124MPa·m1/2，与国外应用最广的AF1410（σb=1655MPa，KⅠc=140MPa·m1/2）相当，在航空航天上具有广阔的应用前景。为了降低成本，我国开发了G50钢，该钢的特点是价格低廉（低Ni无Co）、强度韧性也很高，是具有我国特色的新型无钴高强高韧钢。G50通过添加1.50%～2.30%的Si来推迟低温回火脆性，Si同时起固溶强化的作用，为了细化晶粒，G50中又加入了0.01%～0.06%的铌。在有害气体的控制上，我国的这两种钢都相当好，基本已经达到了高纯净度钢的要求。

提高超高强度钢纯净度的冶炼工艺

由于超高强度钢具有很高的强度，因此这些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。近年来如何降低超高强度钢的缺口敏感性、提高钢的韧性成为一个重要的研究方向。为了改善钢的韧性，近年来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以提高钢的韧性进行了大量的研究。美国的钢种多采用真空感应＋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AMS6417D。同样，D6AC的标准从1964年的AMS6431A到1980年己修订为AMS6431F。每一次修订均在钢的内在质量、纯净度和低倍组织等方面提出了更高的要求。

目前国内超强钢的冶炼主要是通过双真空炉来完成，即真空感应炉熔炼＋真空电渣重熔。我国在研究G50钢的过程中采用了高纯化熔炼新技术，这是保证钢具有优良韧塑性的重要条件。该技术的主要特征是：根据G50钢成分特点，在真空感应冶炼过程中加入微量的稀薄渣及适量的Ca-Si块，以改变原有夹杂物的性质，从而提高G50的韧塑性。AMS6532中规定S≤0.005%、P≤0.008%、O≤0.0020%、N≤0.0015%、Al≤0.015%、Ti≤0.015%。Aermet 系列和我国的G99、G50的纯净度都远远超过了这个标准的要求。