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什麼是超高强度鋼

什麼是超高强度鋼?

在合金結構鋼的基礎上發展起來的一種高强度、高韌性合金鋼。通常把抗拉强度在1500MPa以上,或者屜服强度在1380MPa以上,並具有足够的韌性和良好的工藝效能的合金鋼稱為超高强度鋼。主要用於航空和航太工業製作承受高應力的重要結構部件。按照化學成分和使用性能特點可劃分6大類別:(1)低合金超高强度鋼。(2)二次硬化超高强度鋼。(3)馬氏體時效鋼。(4)超高强度不銹鋼。(5)基體鋼。(6)相變誘導塑性鋼。

簡史早在20世紀40年代中期,由於航空和航太科技發展的需要,為了減輕飛行器自重,提高飛行速度,要求結構資料必須具有更高的比强度。為此,美國人在AISI4130和4340鋼的基礎上,改變熱處理工藝,採用淬火加低溫回火,獲得回火馬氏體組織,使鋼的抗拉强度提高到1600MPa以上。用於製造飛機結構件,超crlqo對減輕飛行器自重取得了明顯成效。20世紀50年代以後,在提高鋼的强度和改善鋼的韌性方面不斷取得新進展,相繼研製成功300M,D6AC和H一11等超高强度鋼。1960年美國國際鎳公司研製出馬氏體時效鋼,並逐步形成18Ni馬氏體時效鋼系列,屈服强度分別為1400MPa、1700MPa、2100MPa和2400MPa,其斷裂韌性達到較高的水准。20世紀70年代以後,超高强度鋼的發展主要是提高韌性。在9Ni-4Co系列之後,美國在Hyl80鋼的基礎上,又研製成功AFl410二次硬化超高强度鋼,該鋼採用低碳馬氏體和析出合金碳化物彌散强化效應,不僅强度高,韌性高,而且具有很高的抗應力腐蝕能力。其抗拉强度為1700MPa,斷裂韌性(KIL)高達160MN%26bull;m-3/2以上。應力腐蝕界限强度因數(KIscc)高達60MN%26bull;m-3/2以上。已用於製造飛機起落架和平尾軸等重要結構部件,受到航空和航太部門的重視和青睞。進入20世紀90年代以來,為了適應航空工業的需要,在AFl410鋼的基礎上,美國研製成功AerMetl00,鋼的抗拉强度為1965MPa,斷裂韌性達到120MN%26bull;m-3/2抗應力腐蝕效能好。用於製造飛機起落架,將大大提高飛行安全可靠性,延長飛機使用壽命。

中國從20世紀50年代開始試製超高强度鋼。結合國內資源條件先後研製成功35Si2Mn2MoVA,40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高强度鋼,這些資料已經用於製造飛機起落架和固體火箭發動機殼體等重要部件。1980年以後採用真空冶煉科技,提高了鋼的純度,先後試製成功40CrNi2Si2MoVA、45CrNiM01VA和18Ni馬氏體時效鋼等。超高强度鋼的研製和應用均取得了顯著的進展。進入20世紀90年代以來,在新材料和新工藝的研究方面,不斷有新的突破,航空和航太用高斷裂韌性超高强度鋼的研製和應用均取得了新進展。

力學性能强度和韌性是超高强度鋼的兩項主要力學性能。錶1列出了幾種超高强度鋼的强度、斷裂韌性和主要用途。提高鋼的强度是為了提高比强度,從而減輕結構件的自身重量。新增鋼的韌性是為了提高結構件在使用過程中的安全可靠性。一種鋼的强度和韌性是相互制約的。如果只追求提高强度而韌性不足,在使用過程中結構件則不是由於超載發生塑性破壞,而是當載荷應力遠低於鋼的屈服强度情况下,由於裂紋失穩擴展發生脆性斷裂。其斷裂源往往是由鋼中的非金屬夾雜物或者是結構件表面缺陷產生局部應力集中而造成的。囙此,工程設計者為了確保使用超高强度鋼的安全可靠性,已經採用以斷裂韌性為依據的容許損傷設計理論。斷裂韌性標誌著資料在受力條件下能够93c}100超封锁裂紋迅速擴展的能力。資料的斷裂韌性愈高。則承受的外加應力愈大,容許存在的臨界裂紋尺寸也愈大。如果選用資料的斷裂韌性值較低,在使用過程中由於結構件容許存在的臨界裂紋尺寸很小,當裂紋擴展超過其容許的裂紋尺寸時就有可能產生失穩斷裂。囙此選用資料不僅要滿足强度要求,而且要具有足够的斷裂韌性,以確保結構件的使用安全可靠。

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鋼的斷裂韌性取决於鋼的化學成分、顯微組織和冶金質量。圖1為幾種超高强度鋼的斷裂韌性與抗拉强度的對應關係。可以看出,任一種鋼的斷裂韌性均隨抗拉强度升高而降低。在等强度條件下,馬氏體時效鋼的斷裂韌性高於低合金超高强度鋼,而AFl410鋼的斷裂韌性最高。

20170603155429 50098 - 什麼是超高强度鋼

應力腐蝕效能在介質環境中的抗應力腐蝕效能是超高强度鋼的一項重要名額。應力腐蝕滯後斷裂是資料在介質環境中。當外加負荷遠低於資料的超載斷裂應力情况下而發生的沒有明顯宏觀塑性變形的災難性斷裂。超高强度鋼在水介質中的應力腐蝕是氫致開裂過程,它受資料和環境中的氫所控制。裂紋前沿的氫離子得到電子後生成氫原子進入鋼中。由於應力誘導擴散,氫原子向裂紋前沿最大三向應力處聚集,當富集的氫濃度達到並超過某一臨界值時,資料就會產生滯後塑性變形,從而導致應力腐蝕滯後斷裂。

應力腐蝕斷裂過程有裂紋形核、穩定擴展和最終斷裂三個階段。超高强度鋼的應力腐蝕效能受介質環境、外加載荷和資料本身效能的影響。應力腐蝕界限强度因數(KIscc)和裂紋亞臨界擴展速率(da/dt)是標誌資料抗應力腐蝕能力的主要指標。錶2列出了幾種超高强度鋼的應力腐蝕效能。可以看出低合金超高强度鋼的KIscc值約為17~18MPa%26bull;m吉,而AFl410鋼高達66MPa.m1/2,比低合金超高强度鋼提高3~4倍。通過熱處理工藝改善鋼的顯微組織、細化晶粒尺寸和提高鋼的純淨度是改善鋼的抗應力腐蝕效能的有效措施。

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疲勞效能超高强度鋼在使用過程中發生斷裂的主要形式之一是疲勞破裂。這是由於在交變載荷作用下,裂紋開始萌生後繼續產生穩定擴展,當裂紋尺寸達到資料發生失穩擴展所對應的臨界裂紋尺寸時而發生斷裂。疲勞強度和疲勞裂紋擴展速率(da/dN)是衡量資料疲勞特性的主要指標。一般情况下,當抗拉强度低於某一值時,鋼的强度愈高,其疲勞强度值也愈高。而超高强度鋼當抗拉强度超過1300MPa,影響疲勞強度的主要因素不是鋼的强度而是鋼的塑性和韌性。這是由於鋼中的非金屬夾雜物和其他組織不均勻性使局部區域應力集中所造成的。因為鋼的强度愈高,其裂紋敏感性也愈大,當有很小的非金屬夾雜就形成疲勞源而萌生裂紋。所以,改善和提高超高强度鋼的塑性和韌性是提高疲勞強度的關鍵。錶3列出了幾種超高强度鋼在不同受力狀態下的疲勞強度極限。

20170603155434 89568 - 什麼是超高强度鋼

斷裂力學在疲勞斷裂中的應用進一步提出了損傷容限設計的新概念。就是在容許裂紋存在的條件下,考慮到疲勞裂紋擴展速率而估算疲勞壽命。零件在低應力作用下,裂紋擴展速率受裂紋尖端應力場强度因數K。所控制。裂紋擴展速率與應力强度因數幅度存在有下列半經驗方程式:

式中da/dN%26mdash;%26mdash;裂紋擴展速率,mm/周;△K%26mdash;%26mdash;應力强度因數幅度(MPa%26bull;m1/2),

機械零件在迴圈應力作用下的疲勞壽命包括裂紋形核期和裂紋擴展期的總和。影響零件疲勞壽命的因素除資料本身的冶金質量和特性外,零件的表面狀態具有重要的影響。因為超高强度鋼對零件表面缺陷的敏感性高,而且疲勞斷裂又往往起源於零件表面。囙此,降低零件表面粗糙度和表面化學熱處理對提高疲勞壽命都有明顯的效果。另外,採用表面噴丸和孔擠壓强化,使表層晶粒細化,新增位錯密度提高表面層屈服强度,並且使表層形成殘餘壓應力,從而有效地延長零件使用壽命。

生產工藝 (1)冶煉。採用真空冶煉工藝提高鋼的純淨度是改善超高强度鋼效能的重大科技措施。真空冶煉主要是降低鋼中的氣體和非金屬夾雜物含量。40CrNi2MoA鋼採用真空冶煉,使鋼中氫、氧和氮含量比電弧爐冶煉分別降低50%、85%和70%。由於冶金質量改善,從而使鋼的斷裂韌性明顯地提高。圖2為18Ni馬氏體時效鋼採用三種不同的冶煉工藝時,斷裂韌性隨屈服强度的變化規律。可以看出,在同一强度水准時,二次真空冶煉鋼的斷裂韌性最高。

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(2)夾雜物形態控制。控制夾雜物形態能有效地改善超高强度鋼的斷裂韌性。為了提高斷裂韌性首先要對硫和磷要有嚴格的限制,採用冶煉工藝要最大限度地降低鋼中硫和磷含量。如圖3所示,16Ni10Co14Cr2Mo1鋼的硫含量從O.005%降低到O.001%,其衝擊功提高一倍以上。硫在鋼中以MnS形式存在,經高溫變形呈條狀,則嚴重降低鋼的橫向塑性。如40CrNi2MoA鋼在降低硫含量的基礎上加入鈣(鈣/硫=3),則改變夾雜物的形態,形成CaS球狀夾雜物,從而可提高斷裂韌性25%~30%。

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16Ni10Co14Cr2Mo1鋼加入稀土金屬鑭對提高斷裂韌性取得了明顯的效果。鋼中加入適量鑭,夾雜物的組成由Crs轉變為La2O2S,雖然夾雜物的體積百分數不變,但夾雜物的直徑加大,夾雜物的間距新增,其斷裂韌性由128MPa%26bull;m1/2提高到196MPa%26bull;m1/2。另外,在鋼中加入微量鈦,形成Ti2CS細小夾雜物,由於在承受載荷條件下,新增了空穴生核阻力,在較大的應變條件下才會發生空穴體積長大,從而提高了鋼的斷裂韌性。

(3)熱處理。改變熱處理工藝是提高斷裂韌性經常採用的一種有效手段。超高强度鋼採用1200℃高溫淬火,鋼中奧氏體晶粒尺寸增大,顯微組織中板條馬氏體量增多,馬氏體板條邊界形成有殘留奧氏體薄膜。這些因素都能使鋼的斷裂韌性提高。但是由於粗大晶粒降低衝擊韌性,因而在生產中難以推廣應用。

等溫淬火是經常採用的一種超高强度鋼熱處理工藝。採用不同的等溫溫度可獲得下貝氏體或下貝氏體與馬氏體混合組織。這種顯微組織在受力條件下裂紋在邊界形核並穿過晶體擴展,當經過介面時裂紋擴展改變方向,使消耗能量增多,斷裂韌性提高。如錶4所示,40CrNi2Si2MoVA鋼採用250~300℃等溫淬火,斷裂韌性提高23%,應力腐蝕界限强度因數提高10%。

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(4)形變熱處理。形變熱處理是將變形强化與相變强化相結合的綜合强化工藝。長期以來,形變熱處理已經廣泛用於提高超高强度鋼的强度和韌性。通常多採用高溫形變熱處理,即在奧氏體再結晶溫度以上進行形變,隨後淬火得到馬氏體組織,再進行回火處理。由於形變後淬火形成細小馬氏體,位錯密度明顯增加,並加速合金碳化物彌散析出。因而不僅强度提高,而且主要是塑性和韌性明顯改善。

低溫形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體溫度後,急冷到亞穩奧氏體區(500~600℃)進行變形加工,隨後淬火的熱處理工藝。該工藝要求鋼的淬透性高,過冷奧氏體在中溫形變區穩定性大。一般形變數在60%以上。形變溫度愈低,形變數增大,則鋼中馬氏體組織更細,位錯密度新增,囙此,强化效果更為明顯。4Cr5MoVSi鋼經低溫形變熱處理後,抗拉强度可達到2500MPa以上,疲勞強度極限提高20%~26%。

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