金属材料学第7章超高强度钢

1、ultra-high strength steel超高强度钢最先是为了满足飞机结构件上需要的具有高比超高强度钢最先是为了满足飞机结构件上需要的具有高比强度（强度强度（强度/密度）的材料而研究的。为了提高飞机的飞密度）的材料而研究的。为了提高飞机的飞行速度，要求飞机的结构材料具有更高比强度，以便减轻行速度，要求飞机的结构材料具有更高比强度，以便减轻重量。重量。Al合金的比重为钢的合金的比重为钢的1/3，Al合金的强度极限已达到合金的强度极限已达到500600MPa，这就要求钢的强度提高到，这就要求钢的强度提高到15001800MPa以以上才能与上才能与Al合金匹配。所以一般钢的屈服强度必须达到合

2、金匹配。所以一般钢的屈服强度必须达到1500MPa的超高强度才能在飞机获得广泛应用。的超高强度才能在飞机获得广泛应用。例如火箭发动机外壳，飞机的起落架、机身骨架，高压容例如火箭发动机外壳，飞机的起落架、机身骨架，高压容器以及常规武器等。器以及常规武器等。 按成分和使用性能不同超高强度钢可分：按成分和使用性能不同超高强度钢可分： 低合金超高强度钢低合金超高强度钢4 40CrNi0CrNi2 2MoMo、M300M300（低合金）（低合金） 二次硬化型超高强度钢二次硬化型超高强度钢H11H11、H13H13（中碳中镍）（中碳中镍） 马氏体时效型超高强度钢马氏体时效型超高强度钢18Ni18Ni（低碳

3、高镍）（低碳高镍） 超高强度不锈钢超高强度不锈钢05Cr17Ni4Cu05Cr17Ni4Cu4Nb4Nb 7.1低合金超高强度钢 40CrNiMoA、 30CrMnSiNi2A、35Cr2Mn2MoVA、45CrNiMoVA 、等从调质钢调质钢基础上发展。 C0.270.45，合金元素5，回火马氏体或者贝氏体和马氏体混合组织。做火箭发动机外壳、火箭外壳、高压容器。 Rm=2880w(C)+800MPa Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V提高淬透性和回火稳定性。7.2二次硬化型超高强度钢（中碳中合金） 从美国热形变H11（4Cr5MoVSi）、H13（4Cr5MoV1Si）移植。30Ni9Co4C

4、rMo1V、16Ni10Co14Cr2Mo。 高温回火产生M7C3、M2C、MC特殊碳化物。 400500使用时抗拉强度13001500MPa，屈服强度11001200MPa。但塑韧性差、焊接性和冷变形性差。制作发动机承受中温强度的零部件和紧固件。 7.3马氏体时效钢马氏体时效钢 （高镍）（高镍） 铁镍超低碳高合金超高强度钢。 18Ni（300）（Ni18Co9Mo5TiAl）、20Ni(Ni20Ti2AlNb)、 25Ni(Ni25Ti2AlNb)。 0.03以下碳，18Ni，外加Co、Ti、Al、Mo等形成有序相（简单点阵Ni3Al、Ni3Ti、Ni3Mo）、拉维斯相（复杂立方Fe2Mo）

5、。 Ni降低位错运动抗力及位错与间隙原子间相互作用，促进应力松弛，减少脆性断裂倾向。 热处理工艺：820 正火处理（马氏体）？，480时效36小时，析出金属间化合物。 高合金、成本高，工艺严格，用作火箭发动机壳体、空间运载火箭工具的扭力棒悬挂体，直升机的柔性转动轴、潜艇的零部件。820155A3480图图7-2 18Ni马氏体时效钢的热处理工艺马氏体时效钢的热处理工艺7.4沉淀硬化超高强度不锈钢沉淀硬化超高强度不锈钢1.以以Cr13型马氏体不锈钢发展而来马氏体沉淀硬化不锈型马氏体不锈钢发展而来马氏体沉淀硬化不锈钢钢05Cr17Ni4Cu4Nb （174PH美国）美国）2.以以Cr18Ni9钢为

6、基础发展而来的奥氏体马氏体沉淀硬钢为基础发展而来的奥氏体马氏体沉淀硬化不锈钢化不锈钢07Cr17Ni7Al（177PH美国）美国）特点：在形成马氏体基础上，经时效处理产生沉淀强化，特点：在形成马氏体基础上，经时效处理产生沉淀强化，而得到超高强度。所以既具有而得到超高强度。所以既具有Cr18Ni9钢优良的焊接性钢优良的焊接性能，又具有马氏体钢的高强度能，又具有马氏体钢的高强度应用：航空，宇航领域应用：航空，宇航领域表7-1沉淀硬化化学成分钢种钢号CCrNiCoMoAlTiSiMn其它奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢07Cr17Ni7Al(与美17-7PH相当)0.0916.0-18.06.5-7.7

7、50.75-1.501.01.0P0.035S0.0307Cr15Ni7Mo2Al(与美PH15-7Mo相当)0.0914.0-16.06.5-7.502.0-3.00.75-1.501.01.0P0.035 S0.03PH14-8Mo（美）0.02-0.0513.5-15.57.5-9.52.0-3.00.75-1.501.01.0P0.015 S0.01AM355（美）0.10-0.1715.0-16.04.0-5.02.5-3.250.50.5-1.25N0.07-0.13FV-520（英）0.0714.0-18.04.0-7.01.0-3.00.51.02.0Cu1.0-3.0马氏体沉

8、淀硬化不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb(与美17-4PH相当)0.0715.50-17.503.0-5.01.01.0P0.035 S0.03Cu3.0-5.0Nb0.15-0.45AFC-77（美）14Cr14Co13Mo5V0.1514.50.213.55V0.50.150.20NAS MA164（日）0.02512.54.512.550.150.10Pyrometx-15（美）0.03150.2202.90.10.1S0.01AM367(美)0.03143.515.52.00.50.10P0.01 S0.01一一. 马氏体沉淀硬化超高强度不锈钢马氏体沉淀硬化超高强度不锈钢组织特点：室温

9、下是组织特点：室温下是F+M在在Cr13马氏体不锈钢中添加马氏体不锈钢中添加Mo，W，Ti，Nb在固溶处理后在固溶处理后时效过程中沉淀析出一系列金属间化合物（时效过程中沉淀析出一系列金属间化合物（Fe2Mo，Fe2Ti，Fe2Nb等）而强化的。等）而强化的。Cr控制在控制在10-20，代表钢种：美，代表钢种：美174PH（05Cr17Ni4Cu4Nb）特点：耐腐蚀性和焊接性比马氏体不锈钢好，对氢脆不敏特点：耐腐蚀性和焊接性比马氏体不锈钢好，对氢脆不敏感，冲击韧性高，但高温强度低，在感，冲击韧性高，但高温强度低，在300-400具有脆性倾具有脆性倾向。向。应用：飞机高强度结构件和压力容器等。应用

10、：飞机高强度结构件和压力容器等。代表钢种：代表钢种：07Cr17Ni7Al（美（美177PH），）， 07Cr15Ni7Mo2Al组织特点：组织特点：室温下是室温下是A15-30M，在在18-8奥氏体基础奥氏体基础上发展而来。含碳量低。上发展而来。含碳量低。性能特点：较好的塑性和加工性能，焊接性能。性能特点：较好的塑性和加工性能，焊接性能。热处理：含碳量低，成分设计上使热处理：含碳量低，成分设计上使Ms点略低于室温，以点略低于室温，以便通过各种处理使不稳定的便通过各种处理使不稳定的A转变成低碳马氏体，然后再转变成低碳马氏体，然后再通过时效沉淀析出金属间化合物提高强度。通过时效沉淀析出金属间化合

11、物提高强度。沉淀元素：沉淀元素：Al，Mob可达可达1400-1850MPa。硬度。硬度HRC43-50。使用注意事项：使用温度低于使用注意事项：使用温度低于315 ，否则金属间化合物，否则金属间化合物继续析出使钢材变脆继续析出使钢材变脆二二. 奥氏体奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢马氏体沉淀硬化不锈钢低合金低合金超高强度钢超高强度钢二次硬化二次硬化超高强度钢超高强度钢马氏体马氏体时效钢时效钢沉淀硬化沉淀硬化超高强度钢超高强度钢在调质钢基础上发展起来，在调质钢基础上发展起来，MeMe总质量总质量5%1500MPa1500MPa的中的中C C低合金钢。低合金钢。组织：回火马氏体或下贝氏体组织：回火马

12、氏体或下贝氏体+ +马氏体，马氏体，应用于飞机起落架、火箭壳体等。应用于飞机起落架、火箭壳体等。 在热变形模具钢基础上移植发展起来，在热变形模具钢基础上移植发展起来，弥散析出弥散析出MC、M2C、M7C3等等K，具有，具有二次硬化效应。应用于中温条件下零件。二次硬化效应。应用于中温条件下零件。Fe-Ni基合金，主要利用时效沉淀金属间基合金，主要利用时效沉淀金属间化合物强化，在强韧化微观理论上取得了化合物强化，在强韧化微观理论上取得了突破性进展，应用于航空航天和国防工业。突破性进展，应用于航空航天和国防工业。由不锈钢发展起来，析出金属间化合物由不锈钢发展起来，析出金属间化合物而产生沉淀强化，控制工艺调节微观组织而产生沉淀强化，控制工艺调节微观组织达到强韧化合理配合，应用于高强度达到强韧化合理配合，应用于高强度结构件、压力容器等。结构件、压力容器等。300M300M40CrNiMo40CrNiMo35Si2Mn2MoV35Si2Mn2MoVH11H11（4Cr5MoVSi）H13（4Cr5MoV1Si）16Ni10Co14Cr2Mo18Ni(200)18Ni (250)18Ni(300)07Cr17Ni7Al05Cr17Ni4Cu4Nb07