超高強度鋼
正文
套用於製造承受較高應力結構件的合金鋼類，一般屈服強度大於120kgf/mm2、抗拉強度大於140kgf/mm2。20世紀40年代中期,美國研製成Cr-Mo鋼(AISI4130)和Cr-Ni-Mo鋼(AISI 4340)，經淬火和低溫回火後,抗拉強度分別為170和190kgf/mm2。50年代初，在AISI 4340鋼的基礎上加入Si和V,製成300M，抗拉強度達190～210kgf/mm2。1960年，國際鎳公司製成馬氏體時效鋼,抗拉強度約為180kgf/mm2,斷裂韌度高達390kgf/mm幫。70年代，美國在300M基礎上降C增Si,改善韌性,發展成HP310鋼；在馬氏體時效鋼的基礎上研究成AF1410鋼，抗拉強度為170kgf/mm2,斷裂韌度達400kgf/mm幫（見斷裂韌性試驗）。
中國從50年代開始研究和生產超高強度鋼，已有多種鋼號的產品，主要有SiMnMoV、SiMnCrMoV和加有稀土元素的SiMnCrMoV系列鋼，抗拉強度為170～190kgf/mm2，斷裂韌度可達250～280kgf/mm幫。
超高強度鋼必須具有高的抗拉強度，和保持足夠的韌性,還要求比強度(強度與密度之比)大和屈強比(σs/σb)高，以減輕構件的重量，而且要有良好的焊接性和成形性等工藝性能。
類別 按照合金化程度及顯微組織，超高強度鋼可分為低合金、中合金和高合金超高強度鋼三類。在高合金超高強度鋼中又有馬氏體時效鋼和沉澱硬化不鏽鋼等（見金屬的強化）。
低合金超高強度鋼 是由調質結構鋼發展起來的，含碳量一般在0.3～0.5％，合金元素總含量小於5％,其作用是保證鋼的淬透性，提高馬氏體的抗回火穩定性和抑制奧氏體晶粒長大，細化鋼的顯微組織。常用元素有鎳、鉻、矽、錳、鉬、釩等。通常在淬火和低溫回火狀態下使用，顯微組織為回火板條馬氏體，具有較高的強度和韌性。如採用等溫淬火工藝，可獲得下貝氏體組織或下貝氏體與馬氏體的混合組織，也可改善韌性。這類鋼合金元素含量低，成本低,生產工藝簡單,廣泛用於製造飛機大梁、起落架構件、發動機軸、高強度螺栓、固體火箭發動機殼體和化工高壓容器等。
中合金超高強度鋼 熱作模具鋼的改型鋼，典型鋼種有4Cr5MoSiV鋼。這類鋼的含碳量約0.4％，合金元素總含量約8％,具有較高的淬透性，一般零件經高溫奧氏體化後，空冷即可獲得馬氏體組織，500～550℃回火時，由於碳化物沉澱產生二次硬化效應，而達到較高的強度。這類鋼的特點是回火穩定性高,在500℃左右條件下使用，仍有較高的強度，一般用於製造飛機發動機零件。
馬氏體時效鋼 典型鋼種有18Ni馬氏體時效鋼，含碳小於0.03％,鎳約18％，鈷8％。根據鉬和鈦含量不同，鋼的屈服強度分別可達到140、175和210kgf/mm2。從820～840℃固溶處理冷卻到室溫時，轉變成微碳Fe-Ni馬氏體組織，其韌性較Fe-C馬氏體為高，通過450～480℃時效，析出部分共格金屬間化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),達到較高的強度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體，並在冷卻到室溫時轉變為單相馬氏體，而具有較高的塑性。同時鎳也是時效強化元素。鈷能使鋼的馬氏體開始轉變溫度升高，避免形成大量殘留奧氏體。這類鋼的特點是強度高，韌性高，屈強比高，焊接性和成形性良好；加工硬化係數小，熱處理工藝簡單，尺寸穩定性好，常用於製造航空器、太空飛行器構件和冷擠、冷沖模具等。
9 Ni-4Co型超高強度鋼 含9％鎳使鋼固溶強化和提高韌性，加 4％鈷的作用在於儘量減少鋼中殘留奧氏體量，鉬和鉻是為了產生沉澱硬化效應。含碳 0.20～0.30％時，抗拉強度可達130～160kgf/mm2,斷裂韌度達400kgf/mm幫以上。綜合性能好,抗應力腐蝕性高，具有良好的工藝性能，常用於航空、航天工業。
沉澱硬化不鏽鋼 簡稱PH不鏽鋼，是在不鏽鋼的基礎上發展起來的具有抗腐蝕性能的超高強度鋼。合金元素總含量約為22～25％。按高溫固溶處理後冷至室溫時顯微組織的不同，可分為奧氏體型、半奧氏體型和馬氏體型三類。典型鋼種有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al,抗拉強度約為160kgf/mm2。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。鋼的強化是通過固溶處理、冷處理或形變後再時效，析出彌散沉澱相而實現的。這類鋼主要用於製造高應力耐腐蝕的化工設備零件、航空器結構件和高壓容器等（見不銹耐酸鋼）。
生產工藝 超高強度鋼對冶金質量要求高，通常採用電弧爐和電渣重熔冶煉。要求純度高的鋼種，多採用真空感應爐或真空自耗電弧爐冶煉。中、低合金超高強度鋼在熱處理時應防止脫碳；馬氏體時效鋼和沉澱硬化不鏽鋼,可以用普通加熱爐固溶處理。焊接時須採用保護氣體焊接或採用鎢極氬弧焊接。某些含碳較高的(0.4％左右)低合金超高強度鋼,焊接後應立即進行去應力退火。
