高强度不锈钢

高合金超高强度钢

这类钢主要是从不锈钢发展起来的，合金元素总含量较高，一般在20%以上。分两种类型：沉淀硬化不锈钢和马氏体时效钢。

2.4.1 沉淀硬化不锈钢

这类钢是在18-8型铬镍不锈钢和Cr13型马氏体不锈钢的基础上发展起来的马氏体超高强度钢和奥氏体一马氏体型沉淀硬化超高强度钢。钢的含碳量较低，而合金元素含量较高，一般为22%～25%。钢在热处理过程中，通过400～500℃时效处理而产生沉淀强化，获得弥散析出的碳化物及金属间化合物，同时仍保持不锈钢良好的耐蚀性和抗氧化性，具有优良的焊接性能和压力加工性能。这类材料对冶金质量要求严格，化学成分对性能影响很敏感。主要用于飞机中薄件结构，承受中温载荷的构件，燃烧箱等，也可用于制造不锈弹簧、高压容器或火箭发动机外壳等。

1. 半奥氏体型沉淀硬化不锈钢

这类钢又称奥氏体—马氏体沉淀硬化不锈钢，钢的Ms点较低。1Cr17Ni7Al(相当于国外的17-7PH钢)是典型的钢种，这类钢在高温固溶处理后冷却到室温时为奥氏体，有较好的塑性，适于加工成型。经过调整处理和冷处理，或经过冷加工变形，可转变为马氏体组织，获得较高的强度和耐蚀性。它经510℃左右的时效处理，析出弥散分布的碳化物和Ni3Al 等金属间化合物而提高强度。由于钢中含铬量大于12%，而抗大气腐蚀性良好。

1Cr12Mn5Ni4Mo3Al钢，是我国研制的一种节镍型的半奥氏体型沉淀硬化不锈钢，和同类的0Cr15Ni17Mo2Al相比，增加了钼代替部分铬，提高了中温强度。通过增加锰代替部分镍，经济性较好，效果亦较好。钢的机加工性能较好，冷成型性、焊接性和耐蚀性均较好。这类钢的缺点是热处理工艺较为复杂，冶炼时钢的化学成分要求较高。表10-27为沉淀硬化超高强度钢的室温力学性能。

2. 马氏体型沉淀硬化不锈钢

这类钢最早是从Cr13型马氏体不锈钢的基础上加入部分强化元素，使之能形成一系列金属间化合物而发展起来的沉淀硬化超高强度不锈钢。常用的有0Cr17Ni4Cu4Nb钢(相当于17-4PH)，主要通过马氏体转变产生强化作用外，并经时效析出弥散强化相来进一步发挥强化作用。17-4PH钢固溶处理后得到低碳马氏体，硬度HB340左右，经480℃时效后HB420。为了改善切削加工性能，约在620℃左右过时效处理，得到最大的软化，此时HB300左右。这种钢可焊性好，耐蚀性和高温抗氧化性能良好，对氢脆不敏感。由于合金含量高，价格较高。目前主要应用在火箭和导弹上作为蒙皮材料。17-4PH钢不同工艺处理后的力学性能见表10-28。

表10-27 沉淀硬化超高强度不锈钢的室温力学性能

表10-28 17-4PH钢的力学性能

2.4.2 马氏体时效钢

马氏体时效钢是通过极低碳马氏体时效析出而达到强化的钢，冶金上与低合金马氏体钢、PH不锈钢等不同。在极低碳的条件下，淬透性低，难以产生马氏体转变，因此在钢中加入大量的镍(容易导致马氏体转变的合金元素)，以铁镍合金为基础，添加钼、钴、钛、铝、铌等造成沉淀强化的钢种。钢经固溶处理并空冷后，其组织为微碳、具有高韧性和高位错密度的板条状马氏体，在中温400～500℃进行时效处理后，使有共格的金属间化合物相如Ni3Mo、Ni3Ti′、(FeNiCo)2Mo等析出，使钢获得高的强度和韧性。

硫含量对这类钢的影响较大，特别是力学性能，一般要求在0.03%以下。由于钢中含有大量碳化物形成元素，如碳含量稍高，便容易与之形成脆性的碳化物并沿晶界析出，降

低钢的韧性，故生产时要严格控制。这种钢的基本特点是具有高的屈服强度和断裂韧性，同时也有良好的工艺性能。由于合金含量高，价格昂贵，主要用于要求比强度高、可靠性高、尺寸控制精确的承力构件，如飞机和火箭的结构件，发动机壳体，也可用做冷挤和冷冲模具。

马氏体时效钢是一种以铁、镍为基础的高合金钢，按其含镍量的不同分为18%Ni、20%Ni和25%Ni三种类型。

马氏体时效钢的室温力学性能见表10-29。

表10-29 马氏体时效钢的室温力学性能

续表

1. 18Ni类型马氏体时效钢

马氏体时效钢类主要被推荐使用的是18Ni系，这类钢含有18%镍、8%钴、5%钼和0.5%钛是作为主要析出元素而添加的。同时0.1%的铝亦有一定的强化作用，但只是为了脱氧而添加的。这类钢尤其希望尽可能降低碳、硅、锰、磷、硫等杂质元素。含碳极低使Fe-18%Ni系合金的马氏体转变能力明显地高，这种马氏体组织为位错的板条状马氏体，这时塑性和韧性显著提高，加工硬化率很小，因而冷加工较易进行。当在500℃左右时效析出合格的金属间化合物相(Ni3Mo与Ni3Ti) 来强化。近年来，为了节约镍和钴，已在发展

少镍、钴或不含钴的马氏体时效钢，如00Cr5Ni12Mo3TiAl钢。

18Ni马氏体时效钢的优点是：淬透性好; 有高的强度和良好的韧性配合; 比强度和屈服强度都很高; 加热时无脱碳现象，不易变形; 焊接性能良好，焊后可以不做高温处理; 切削加工性和成型性良好; 抗应力腐蚀性能良好。目前这种钢正被用于宇航工业、压力容器，也可用做冷挤、压铸和其他模具，有较高的使用寿命。

2. 20Ni类型马氏体时效钢

典型的20%Ni马氏体时效钢是00Ni20Ti2AlNb 钢，与18Ni钢相比，不含钴和钼，增加了铌，总的合金含量较低。在18Ni钢中，起时效强化作用的合金元素是钛、铝、钴、钼，而在20Ni钢中是钛、铝、铌起时效强化作用，该钢由于含合金元素稍低，故价格较便宜。其热处理工艺、特性和用途与18Ni钢基本相同，但性能比18Ni钢差些。

3. 25Ni类型马氏体时效钢

25% Ni马氏体时效钢的常用钢种是00Ni25Ti2AlNb，该钢的时效强化元素是钛、铝、铌。18Ni和20Ni马氏体时效钢在固溶处理状态下是马氏体，而25Ni马氏体时效钢由于含镍量高，所以固溶处理后的组织是马氏体和大量残余奥氏体，其硬度很低，为HV160～230，适用于制造加工深冲零件、冷拔管等。为了促使残余奥氏体全部转变成马氏体，其热处理工艺就较为复杂一些。一般采用方法有，①奥氏体时效处理; 对残余奥氏体在705℃左右进行时效处理，使残余奥氏体中析出一部分γ′相(Ni、Fe)3(Ti、Al)，使残余奥氏体中合金元素减少，从而提高Ms点，冷却时可发生马氏体相变，然后再低温处理，容易生成孪晶型马氏体。②采用冷加工变形方法; 即在固溶处理后进行25%以上的冷变形，促使Ms 点升高，然后进行冷处理，使残余奥氏体全部转变成马氏体。通过上述方法得到的马氏体组织，再在425～485℃进行1～4小时时效，就可以达到进一步的强化作用。25Ni马氏体时效钢的强化相为(Ni、Fe)3(Ti、Al)。

25Ni马氏体时效钢强度较18Ni高，但韧性偏低。一般应用在宇航工业结构件、套筒、弹簧及工具上。

二次硬化超高强度钢

经过加热淬火后在480～550℃温度范围回火时，析出合金碳化物产生弥散强化效应，其屈服强度大于1380MPa的超高强度钢。主要包括中合金热作模具钢和高合金高断裂韧性超高强度钢。

中合金热作模具钢最早生产和使用的钢种有4Cr5MoVSi(H-11)钢，含5%铬，1.3%钼和0.5%钒。具有淬透性高的特点，一般结构件经1100℃奥氏体化后，在空气冷却条件下即可获得完全马氏体组织。经500～600℃回火析出(Mo，Cr)2C和Cr7C3，产生二次硬化效应。抗拉强度可达1960MPa。在400～500℃范围内使用，其瞬时抗拉强度仍保持在1300MPa以上。4Cr5MV1Si(H-13)钢是在4Cr5MoVSi钢的基础上，提高钼和钒的含量而发展起来的。钒含量增加，使钢中VC增多，耐磨性提高。该类钢的缺点是断裂韧性低，缺口敏感性较大。