高強(qiáng)度鋼板的原材料--超高強(qiáng)度鋼

20世紀(jì)40年代中期,美國研制成Cr-Mo鋼(AISI4130)和Cr-Ni-Mo鋼(AISI 4340),經(jīng)淬火和低溫回火后,抗拉強(qiáng)度分別為170和190kgf/mm2。50年代初,在AISI 4340鋼的基礎(chǔ)上加入Si和V,制成300M,抗拉強(qiáng)度達(dá)190~210kgf/mm2。1960年,國際鎳公司制成馬氏體時(shí)效鋼,抗拉強(qiáng)度約為180kgf/mm2,斷裂韌度高達(dá)390kgf/mm幫。70年代,美國在300M基礎(chǔ)上降C增Si,改善韌性,發(fā)展成HP310鋼;在馬氏體時(shí)效鋼的基礎(chǔ)上研究成AF1410鋼,抗拉強(qiáng)度為170kgf/mm2,斷裂韌度達(dá)400kgf/mm幫(見斷裂韌性試驗(yàn))。

中國從50年代開始研究和生產(chǎn)超高強(qiáng)度鋼

已有多種鋼號(hào)的產(chǎn)品,主要有SiMnMoV、SiMnCrMoV和加有稀土元素的SiMnCrMoV系列鋼,抗拉強(qiáng)度為170~190kgf/mm2,斷裂韌度可達(dá)250~280kgf/mm幫。
超高強(qiáng)度鋼必須具有高的抗拉強(qiáng)度,和保持足夠的韌性,還要求比強(qiáng)度(強(qiáng)度與密度之比)大和屈強(qiáng)比(σs/σb)高,以減輕構(gòu)件的重量,而且要有良好的焊接性和成形性等工藝性能。[1]

2類別

按照合金化程度及顯微組織,超高強(qiáng)度鋼可分為低合金、中合金和高合金超高強(qiáng)度鋼三類。在高合金超高強(qiáng)度鋼中又有馬氏體時(shí)效鋼和沉淀硬化不銹鋼等(見金屬的強(qiáng)化)。
低合金超高強(qiáng)度鋼

是由調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼發(fā)展起來的,含碳量一般在0.3~0.5%,合金元素總含量小于5%,其作用是保證鋼的淬透性,提高馬氏體的抗回火穩(wěn)定性和抑制奧氏體晶粒長大,細(xì)化鋼的顯微組織。常用元素有鎳、鉻、硅、錳、鉬、釩等。通常在淬火和低溫回火狀態(tài)下使用,顯微組織為回火板條馬氏體,具有較高的強(qiáng)度和韌性。如采用等溫淬火工藝,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(chǎn)工藝簡單,廣泛用于制造飛機(jī)大梁、起落架構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)軸、高強(qiáng)度螺栓、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和化工高壓容器等。
中合金超高強(qiáng)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(jīng)高溫奧氏體化后,空冷即可獲得馬氏體組織,500~550℃回火時(shí),由于碳化物沉淀產(chǎn)生二次硬化效應(yīng),而達(dá)到較高的強(qiáng)度。這類鋼的特點(diǎn)是回火穩(wěn)定性高,在500℃左右條件下使用,仍有較高的強(qiáng)度,一般用于制造飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件。
馬氏體時(shí)效鋼

典型鋼種有18Ni馬氏體時(shí)效鋼,含碳小于0.03%,鎳約18%,鈷8%。根據(jù)鉬和鈦含量不同,鋼的屈服強(qiáng)度分別可達(dá)到140、175和210kgf/mm2。從820~840℃固溶處理冷卻到室溫時(shí),轉(zhuǎn)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(shí)效,析出部分共格金屬間化合物相(Ni3Ti、Ni3Mo),達(dá)到較高的強(qiáng)度。鎳可使鋼在高溫下得到單相奧氏體,并在冷卻到室溫時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗囫R氏體,而具有較高的塑性。同時(shí)鎳也是時(shí)效強(qiáng)化元素。鈷能使鋼的馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度升高,避免形成大量殘留奧氏體。這類鋼的特點(diǎn)是強(qiáng)度高,韌性高,屈強(qiáng)比高,焊接性和成形性良好;加工硬化系數(shù)小,熱處理工藝簡單,尺寸穩(wěn)定性好,常用于制造航空器、航天器構(gòu)件和冷擠、冷沖模具等。
Ni-4Co型超高強(qiáng)度鋼

含9%鎳使鋼固溶強(qiáng)化和提高韌性,加 4%鈷的作用在于盡量減少鋼中殘留奧氏體量,鉬和鉻是為了產(chǎn)生沉淀硬化效應(yīng)。含碳 0.20~0.30%時(shí),抗拉強(qiáng)度可達(dá)130~160kgf/mm2,斷裂韌度達(dá)400kgf/mm幫以上。綜合性能好,抗應(yīng)力腐蝕性高,具有良好的工藝性能,常用于航空、航天工業(yè)。
沉淀硬化不銹鋼

簡稱PH不銹鋼,是在不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的具有抗腐蝕性能的超高強(qiáng)度鋼。合金元素總含量約為22~25%。按高溫固溶處理后冷至室溫時(shí)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(qiáng)度約為160kgf/mm2。這類鋼有良好的耐蝕性、抗氧化性。鋼的強(qiáng)化是通過固溶處理、冷處理或形變后再時(shí)效,析出彌散沉淀相而實(shí)現(xiàn)的。這類鋼主要用于制造高應(yīng)力耐腐蝕的化工設(shè)備零件、航空器結(jié)構(gòu)件和高壓容器等(見不銹耐酸鋼)。
3生產(chǎn)工藝

超高強(qiáng)度鋼對(duì)冶金質(zhì)量要求高,通常采用電弧爐和電渣重熔冶煉。要求純度高的鋼種,多采用真空感應(yīng)爐或真空自耗電弧爐冶煉。中、低合金超高強(qiáng)度鋼在熱處理時(shí)應(yīng)防止脫碳;馬氏體時(shí)效鋼和沉淀硬化不銹鋼,可以用普通加熱爐固溶處理。焊接時(shí)須采用保護(hù)氣體焊接或采用鎢極氬弧焊接。某些含碳較高的(0.4%左右)低合金超高強(qiáng)度鋼,焊接后應(yīng)立即進(jìn)行去應(yīng)力退火。