《航空工程材料（活页式）》 课件 8 超高强度钢

第9讲超高强度钢概述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，如今已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。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1,400MPa、屈服强度大于1,200MPa

的钢称为超高强度钢。概述超高强度钢：屈服强度σb>1400Mpa，σs>1200Mpa。用途飞机起落架、机身骨架火箭发动机壳体常规武器某些零件高压容器

要求合适的塑性一定的冲击抗力一定的断裂韧性较高的高周、

低周疲劳抗力较高的缺口强度较高的缺口塑性适当的可焊性σb越高，其缺口强度越低，表明超高强度钢对缺口和表面缺陷的敏感性。KIC由材料本质决定，并随钢基体所固溶C含量增高而降低。概述基本设计原则之组织的设计较高强度的要求：σb>1400MPa在超高强度的情况下需要一定的塑韧性基体必须为马氏体组织C含量不能太高基体组织：低碳位错马氏体概述

由于不同的成分的合金，其塑韧性不一样，所要改善的方向也不一样，因此其所需要改善的方向也不一样，对于超高强度钢来说总结起来可归纳为：为得到优异的强韧性配合，M的C含量<0.30%因为钢中α-Fe的过饱和间隙固溶的强度是最有效的。但如果所固溶的C量低于0.25％时，几乎不存在点阵畸变，每固溶0.10％C所引起的σs增高300Mpa，但固溶较多的C将会得不到合适的塑性、韧性；且回火马氏体硬度下降更猛；也不利于焊接。为改善回火后的塑韧性，加入Si提高回火抗力因为Si在这方面有很好的表现，固溶2.0％Si，便可有效的推迟ε到θ的转变，使ε-碳化物保持弥散均匀分布状态，并将第一类回火脆的发生推移到更高的温度。C含量较低时，主要组织为位M，需加入合金形成金属间化合物，起弥散强化作用。超低C马氏体所具有的可动螺位错难以分解，易发生交叉滑移，所以其是个高塑性相，因此需要添加二次强化相来强化它，沉淀硬化相显然不是碳化物，因此是加入合金元素形成金属间化合物。加强碳化合物形成元素，高温回火弥散析出强化细化马氏体条，束严格控制P、S含量；以及变形热处理概述超高强度钢的发展

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。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，由于马氏体时效钢属高合金钢。

超高强度钢是应用范围很广的一类重要钢种，大量应用于火箭发动机壳体、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域。超高强度钢的定义和分类超高强度钢低合金超高强度钢中合金超高强度钢高合金超高强度钢马氏体时效钢沉淀硬化不锈钢Ni-4Co型超高强度钢超高强度钢的定义和分类1.低合金超高强度钢（Low-alloyultra-highstrengthsteel）是由调质结构钢发展起来的，含碳量一般在0.3～0.5％，合金元素总含量小于5％，其作用是保证钢的淬透性，提高马氏体的抗回火稳定性和抑制奥氏体晶粒长大，细化钢的显微组织。常用元素有镍、铬、硅、锰、钼、钒等。通常在淬火和低温回火状态下使用，显微组织为回火板条马氏体，具有较高的强度和韧性。如采用等温淬火工艺，可获得下贝氏体组织或下贝氏体与马氏体的混合组织，也可改善韧性。※※这类钢合金元素含量低，成本低，生产工艺简单，广泛用于制造飞机大梁、起落架构件、发动机轴、高强度螺栓、固体火箭发动机壳体和化工高压容器等。超高强度钢的定义和分类2.中合金超高强度钢（Medium-alloyultra-highstrengthsteel）热作模具钢的改型钢，典型钢种有4Cr5MoSiV钢。这类钢的含碳量约0.4％，合金元素总含量约8％，具有较高的淬透性；一般零件经高温奥氏体化后，空冷即可获得马氏体组织，500～550℃回火时，由于碳化物沉淀产生二次硬化效应，而达到较高的强度。※※这类钢的特点是回火稳定性高，在500℃左右条件下使用，仍有较高的强度，一般用于制造飞机发动机零件、高强度螺栓。超高强度钢的定义和分类Aermet100是目前综合性能最高的超高强度钢，是新一代军事装备中关键器件的首选材料，美国己成功地将其应用在最先进的F/A-22战斗机起落架和F-18舰载机的起落架上。以Aermet100为材料的F/A-22起落架超高强度钢的定义和分类高强度螺栓就是可承受的载荷比同规格的普通螺栓要大。普通螺栓的材料是Q235（即A3）制造的。1）淬火:第一次950℃2）第二次850℃,空冷;3）回火200℃,水冷、空冷。18Cr2Ni4W螺栓超高强度钢的定义和分类3.马氏体时效钢（maragingsteel）

典型钢种有18Ni马氏体时效钢，含碳小于0.03％,镍约18％，钴8％。根据钼和钛含量不同，钢的屈服强度分别可达到140、175和210kgf/mm2。从820～840℃固溶处理冷却到室温时，转变成微碳Fe-Ni马氏体组织，其韧性较Fe-C马氏体为高，通过450～480℃时效，析出部分共格金属间化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),达到较高的强度。超高强度钢的定义和分类3.马氏体时效钢（maragingsteel）镍可使钢在高温下得到单相奥氏体，并在冷却到室温时转变为单相马氏体，而具有较高的塑性。同时镍也是时效强化元素。钴能使钢的马氏体开始转变温度升高，避免形成大量残留奥氏体。这类钢的特点是强度高，韧性高，屈强比高，焊接性和成形性良好；加工硬化系数小，热处理工艺简单，尺寸稳定性好，常用于制造航空器、航天器构件和冷挤、冷冲模具等。超高强度钢的定义和分类4.沉淀硬化不锈钢（PHstainlesssteel）

简称PH不锈钢，是在不锈钢的基础上发展起来的具有抗腐蚀性能的超高强度钢。合金元素总含量约为22～25％。按高温固溶处理后冷至室温时显微组织的不同，可分为奥氏体型、半奥氏体型和马氏体型三类。

典型钢种有0Cr17Ni7Al和0Cr15Ni7Mo2Al,抗拉强度约为160kgf/mm2。这类钢有良好的耐蚀性、抗氧化性。钢的强化是通过固溶处理、冷处理或形变后再时效，析出弥散沉淀相而实现的。

这类钢主要用于制造高应力耐腐蚀的化工设备零件、航空器结构件和高压容器等（见不锈耐酸钢）。超高强度钢的定义和分类5.Ni-4Co型超高强度钢含9％镍使钢固溶强化和提高韧性，加4％钴的作用在于尽量减少钢中残留奥氏体量，钼和铬是为了产生沉淀硬化效应。含碳0.20～0.30％时，抗拉强度可达130～160kgf/mm2,断裂韧度达400kgf/mm2以上。综合性能好，抗应力腐蚀性高，具有良好的工艺性能，常用于航空、航天工业。超高强度钢的发展科学在发展，航空工业在前进，航空材料研究也进入了新的发展阶段，新材料不断涌现。现在我国有了更好的超高强度钢，GC-4钢完成了它的历史使命，光荣“退役”了，但它是中国航空材料发展史上第一个中国自己的超高强度钢，是中国航空工业史上的“功勋”材料。常用超高强度钢实例起落架是飞机上重要而特别的部件，它不参与机体的结构和性能，却极大地影响飞机的使用和安全。30CrMnSiNi2A是我国广泛使用的一种综合性能良好的低合金超高强度钢，主要用于制造飞机起落架、机翼、发动机壳等受力结构件，及高压连接件和高扭短轴零件。常用超高强度钢实例30CrMnSiNi2A属于低合金超高强度钢，经热处理后可获得高的强度、好的塑性和韧性、良好的抗疲劳性能和断裂韧度、低的疲劳裂纹扩展速率。主要用途用于航空工业，制造飞机结构件，可减少构件重量。常用超高强度钢实例

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钢。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。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。常用超高强度钢实例

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。美国于60年代初开始研制D6AC，由AISI4340钢改