超高强度钢的发展.doc

轻金属材料与超高强度钢的发展前景及应用09032304 陈洪 09032333 顾栩 摘要：本文主要阐述和介绍了轻金属材料和超高强度钢的种类和现状及其在工业及军事上的运用，并对其发展前景做一个展望。关键词：轻金属、超高强度钢、航空航天、发展轻金属与超高强度钢的研究与应用在近些年取得了飞速的发展。作为航空航天器的主要结构材料，他们都是比强度高，综合性能优良，本文主要探讨了轻金属与超高强度钢的发展前景与超高强度钢的发展前景及应用。一、轻金属材料的种类和工业上的应用金属材料，尤其是轻金属材料在目前的情况下，应用较为广泛，前景依然不错，这种状况将持续很长时间，非金属材料的研究进展将决定这种状态的时间长短。1、镁合金 镁由于优良的物理性能和机械加工性能，丰富的蕴藏量，已经被业内公认为最有前途的轻量化材料及21世纪的绿色金属材料，未来几十年内镁将成为需求增长最快的有色金属。20世纪70年代以来，各国尤其是发达国家对汽车的节能和尾气排放提出了越来越严格的限制，1993-1994年欧洲汽车制造商提出“3公升汽油轿车”的新概念。美国提出了“PNGV”（新一代交通工具）的合作计划。其目标是生产出消费者可承受的每百公里耗油3公升的轿车，且整车至少80%以上的部件可以回收。这些要求迫使汽车制造商采用更多高新技术，生产重量轻、耗油少、符合环保要求的新一代汽车。据测算，汽车自重减轻10%，其燃油效率可提高5.5%，如果每辆汽车能使用70公斤镁，CO的年排放量就能减少30%以上。镁作为实际应用中最轻的金属结构材料，在汽车的减重和性能改善中的重要作用受到人们的重视。世界各大汽车公司已经将镁合金制造零件作为重要发展方向。在欧美国家中，各国的汽车厂商正极力争取采用镁合金零件的多少作为自身车辆领先的标志，大众、奥迪、菲亚特汽车公司纷纷使用镁合金。90年代初期，欧美小汽车上应用镁合金的重量，平均每车约1公斤，至2000年已达到3.6公斤左右，目前欧美各主要车厂都在规划在今后1520年的期间，将每车的镁合金用量上升至100120公斤。行家预测，在未来的7-8年中，欧洲汽车用镁将占总消耗量的14%，预计今后将以15%的速度递增，2005年将达到20万吨。 汽车行业对镁合金的大量需求，推动了镁合金生产技术的多项突破，镁合金的使用成本也大幅度下降，从而促进了镁合金在计算机、通讯、仪器仪表、家电、医疗、轻工等行业的应用发展。其中，镁合金应用发展最快的是电子信息和仪器仪表行业。在薄壁、微型、抗摔撞的要求之下，加上电磁屏蔽、散热和环保方面的考虑，镁合金成了厂家的最佳选择。另外，镁合金外壳可使产品更豪华、美观。在电子信息和仪器仪表行业的镁合金制品的单位重量和尺寸不如汽车零部件，但它的数量大、覆盖面广，其用量也是巨大的。所以，近几年电子信息行业镁合金的消耗量急剧增加，成为拉动全球镁消耗量增加的另一重要因素。 其它如铝合金添加剂、镁牺牲阳极和型材用镁合金等。镁牺牲阳极作为有效的防止金属腐蚀的方法之一，广泛应用于长距离输送的地下铁制管道和石油储罐。目前，作为镁牺牲阳极的镁合金有34万吨/年的市场需求量，且每年以20%的速度增长。镁合金型材、管材，以前主要用于航空航天等尖端或国防领域。近几年由于镁合金生产能力和技术水平的提高，其生产成本已下降到与铝合金相当的程度，极大地刺激了其在民用领域的应用，如用做自行车架、轮椅、康复和医疗器械及健身器材。 2、钛合金钛及钛合金具有密度小、比强度高和耐蚀性好等优良特性。随着国民经济及国防工业的发展，钛日渐被人们普遍认识，广泛地应用于汽车、电子、化工、航空、航天、兵器等领域。 从2002年世界主要钛生产国的产量及所占比例来看，美国、独联体、日本占有重要地位。美国占28.3%，独联体占29.7%，日本占25.3%，三地的合计产量占全球总产量的83%。从钛的应用领域来看，以美国、日本为例，美国钛的最大应用领域是航空航天，占到总消费量的58.5%；日本则是火力、核电厂，及板式热交换器，两者合计占总消费量的41.9%。从下表可以看出，与美国相比，日本在更多方面使用钛。在体育用品方面，除了在高尔夫球杆头上使用钛以外，还有短距离用跑鞋的销钉、羽毛球拍及冰杖等登山器具、滑雪滑冰用的冰刀刃、自行车架、轮椅等等。美日两国在化学工业及油气田钻探装置上的用钛量都在增加。在计算机磁盘(真空镀膜)、纤维纺织机的框架、餐具、帐篷用具、拐杖和照相机等方面都巧妙地使用钛。3、铝合金铝合金具有密度小、导热性好、易于成形、价格低廉等优点，已广泛应用于航空航天、交通运输、轻工建材等部门，是轻合金中应用最广、用量最多的合金。随着电力工业的发展和冶炼技术的突破，其性价比大为提高，目前交通运输业已成为铝合金材料的第一大用户。在世界范围内，交通运输业已成了铝材的第一大用户，2001年交通运输业消耗铝占全世界原铝产量的27.6%，有些国家达30%以上。随着交通运输业现代化进程的加快，铝及铝合金材料在航空航天和汽车三大领域的应用日益增加。（1）铝合金材料在航空航天中的应用铝合金是亚音速飞机的主要用材，目前民用飞机结构上的用量为70%80%，其中仅铝合金铆钉一项每架飞机就有40150万个；据波音飞机公司的统计，制造各类民用飞机31.6万架，共用铝材7100千吨，平均每架用铝22吨。铝制零部件在先进军用飞机中的比例虽低一些，但仍占其自身总质量的40%60%。据预测，2010年全球航空航天铝材的消费量可达60万吨，年平均增长率约为4.5%。航空航天铝材的价格比普通民用铝材的价格高得多，为后者的18倍左右，是一个非常重要的市场，而其政治与军事意义则尤为重大。2002年美国航空航天铝材的价格为3300044100美元/吨，而普通民用铝材的价格只不过22003500美元/吨。美国是世界航空航天工业巨头，其用铝约占全球此领域用铝量的50%强，其他国家如法国、俄罗斯、中国、日本、巴西、加拿大、英国等的用量为50%弱。2002年，全世界航空航天用铝量约42万吨，其中美国的用量为21.4万吨。美国铝业公司（Alcoa）是世界航空航天铝材的主要供应者，占全球总供应量的35%以上，为了保持其在该领域的世界霸主地位，获得更大的利润，经过精心的全面的调查研究与策划后，于2002年提出了一个名为“20-20攻关计划（20-20Initiative）”的计划。计划内容与目标包括：在20年时间内，开发一批新的高性能铝合金，改进铝制零部件的设计，采用高技术制造工艺，使铝制零部件的质量下降20%，使铝制零部件的制造成本与维护费用减少20%。铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑成型性能，用其取代常规的铝合金可使构件质量减轻15%，刚度提高15%20%，被认为是航空航天工业中的理想结构材料。在航天领域，铝锂合金己在许多航天构件上取代了常规高强铝合金。铝锂合金作为储箱、仪器舱等结构材料具有较大优势。国外预测，含钪铝-镁合金及其它系列的铝合金有可能成为下一代飞机的重要结构材料。TiAl基合金的板材除了有望直接用作结构材料外，还可以用作超塑性成型的预成型材料，并用于制作近净成型航空、航天发动机的零部件及超高速飞行器的翼、壳体等。（2）铝合金在汽车中的应用铝及铝合金是最早用于汽车制造的轻质金属材料，也是工程材料中最经济实用、最有竞争力的汽车用轻金属材料，从生产成本、零件质量、材料利用率等方面看，具有多种优势。汽车用铝合金材料的3/4为铸造铝合金，主要是发动机部件，传动系部件，底盘行走系零部件。变形铝合金主要用于热交换器系统，车身系部件。预计10年内95%的气缸盖和50%的轿车发动机气缸体将用铝合金制造，轻型货车目标分别达到60%和25%水平。铝基复合材料在某些范围内替代铝合金、钢和陶瓷等传统的汽车材料，用于汽车关键零件，特别是高速运动零件，对减少质量、减少运动惯性、降低油耗、改善排放和提高汽车综合性能等具有非常积极的作用，在汽车领域有着良好的应用前景。泡沫铝材被认为是一种大有前途的未来汽车的良好材料。泡沫铝材在汽车制造中的应用多为三明治式的三夹板，即：芯层为泡沫铝或泡沫铝合金，上下层为铝板或其他金属薄板。德国卡曼汽车公司用三明治式复合泡沫铝材制造的吉雅轻便轿车(Ghiaroadster)的顶盖板的刚度，比原来的钢构件高7倍左右，而其质量却比钢件轻25%。据测算，汽车车身构件约有20%可用泡沫铝材制造，一辆中型轿车如采用泡沫铝材制造，某些零件可减重27.2kg左右，既可节约能源又可减轻对环境的污染。采用泡沫铝材结构，可大大简化结构系统，零部件数至少可减少1/3。二、超高强度钢的发展前景及其在军事上的应用 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。 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。 随着航空工业的快速发展，开发强度高(15861724MPa)、断裂韧性好(125 MPam1/2)、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，0.21517MPa，Kc154MPam1/2。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。 1、 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30XCH2A 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FS:PAGE；40Si2Ni2CrMoVA 钢是仿美国的300M 钢研制的，45CrNiMo1VA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、40CrMnSiMoVA(GC-4)，含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA 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。 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，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，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，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b 1520MPa， Kc124 MPam1/2，与国外应用最广的AF1410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。 2、超高强度钢在军事上的应用 AISI 4340 钢是最早出现的低合金超高强度钢，也是低合金超高强度钢的典型代表。美国从1950 年开始研究4340钢，1955 年正式用于飞机起落架。1952 年美国国际镍公司研制开发出的300M 钢在1966 年后作为美国的军机和主要民航飞机的起落架材料而获广泛的应用，F-15、F-16、DC-10、MD-11 等军用战斗机都采用了300M 钢，此外波音747 等民用飞机的起落架及波音767 飞机机翼的襟滑轨、缝翼管道等也采用300M 钢制造。美国于60 年代初开始研制D6AC，它是由AISI 4340 钢改进而成的低合金超高强度钢，被广泛用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了70 年代中期，D6AC 逐渐取代了其它合金结构钢，成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国新型地空导弹“爱国者”，小型导弹“红眼睛”，大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极星”、“大力神”等，美国航天飞机的3.7m 助推器也采用D6AC 钢制造。D6AC 还曾用于制造F-111 飞机的起落架和机翼轴等，成为宇航工业使用的优秀材料之一。 俄罗斯在前苏联时期开始研制低合金超高强度钢，时间大体上与美国同步，具有自己的钢种体系，最有代表性的是30XCH2A 和40XH2CMA（643）钢。30XCH2A 是在30XC 基础上加入1.4%1.8%的镍而得到的低合金超高强度钢，由于镍的加入提高了钢的强度、塑性和韧性，也提高了钢的淬透性，由此改良和派生出了一系列钢种。40XH2CMA 是在40XH2MA 基础上发展起来的，40XH2CBA是用W 代替40X H2CMA中Mo而成的。近十几年来他们又研制了新型经济型的低合金超高强度钢35XCH3M1A(BKC-8)和35XC2H3M1A(BKC-9)，其抗拉强度分别可达到18002000MPa 和19502150MPa。 为满足快速发展的航空工业对材料的需要，人们分析了航空构件的结构重量效率和对材料断裂韧性的要求，提出了开发新型二次硬化高强度合金钢来代替低合金超高强度钢的目标。有资料显示，美国ARDEC 公司曾将AF1410 制成120mm 火炮身管前端3