國內外超高強度鋼的研究現狀及應用

牛艷娥，趙芃沛，李 寧，宋 娟

(1.榆林職業技術學院， 陜西 榆林 719000；2.陜西空天動力研究院有限公司， 西安 710103)

1 引言

隨著航天、航空、航海、兵工、冶金、礦山、石油、電力等領域快速的發展，低成本、低能耗、超高強度、超高韌性、超高耐磨性及抗腐蝕性是對鋼鐵材料提出的新要求，國內外都積極展開了超高強度鋼研究與開發。所謂超高強度鋼，是指在室溫下，抗拉強度值高于1 470 MPa、屈服強度值高于1 380 MPa的合金鋼[1，2]。目前超高強度鋼廣泛應用在飛機起落架、高端軸承鋼、精密齒輪、艦艇、火箭發動機殼體等結構件上[3-4]，是當今高端制造的首選金屬材料。但因超高強度鋼的性能受化學成分、內部組織、外部環境及載荷等影響較大，故如何保證超高強韌比等綜合性能[5]、低成本、綠色環保等是超高強度鋼未來主要研究及發展方向。

2 超高強度鋼的分類、發展及應用

目前超高強度鋼的分類有2種，一種是按合金元素總含量分，另一種是按冶金特點分。若按合金元素總量可分為低、中和高三種超高強度鋼[6-7]，其中以5.0wt%～10.0wt%的合金總含量為界限，低于5.0wt%的為低合金超高強度鋼，高于10.0wt%的為高合金超高強度鋼，居中的為中合金超高強度鋼。若按冶金特點可分為低合金超高強度鋼、二次硬化超高強度鋼和超高強度馬氏體時效鋼[8，9]。下文按照第二種分類進行闡述。

2.1 低合金超高強度鋼的發展及應用情況

低合金超高強度鋼是指合金元素含量小于5.0wt%的低溫回火馬氏體組織鋼，其高強度來自馬氏體基體中碳濃度。該類鋼是為了滿足航天工業對結構鋼超高強度、超高韌性和輕量化的需求而開發。1950年，AISI 4340超高強度鋼首次被美國研發出[10]，主要應用在飛機起落架上。該鋼添加了鉬、鎳、鉻、硅和釩等主要合金元素，通過淬火-低溫回火工藝后屈服強度值高于1 300 MPa。為了得到較高的強度、較好的塑性、韌性及焊接性，該類鋼的碳含量要控制在0.30wt%～0.50wt%。這是因為碳含量過低，鋼的塑性、韌性好，而強度低；碳含量過高，其強度升高，而塑性及韌性下降，同時焊接性與冷成型性變差。后期多數的改進型低合金超高強度鋼因碳含量較高，其淬火后抗拉強度值均能高于1 500 MPa，但塑韌性卻比較差。隨后，300M鋼問世[11]，此鋼是美國鎳公司研發，通過在AISI 4340鋼中添加1.5%～2.0%的硅元素和少量的釩元素，在有效保證超高強度的情況下，也提高了斷裂韌性。這是因為硅元素能夠提高鋼的回火穩定性，抑制回火脆性；釩元素能形成穩定性高的細小碳化物，進一步提高鋼的強度。目前300M鋼在飛機起落架外筒鍛件材料上應用量仍最大[12]。近幾年，通過調整碳、鉻、鎢元素含量的低成本Eglin鋼，能形成多類型納米級強化相來抑制位錯移動，從而提高了強度，此鋼的屈服強度值已大于1 800 MPa[13]。

我國對AISI 4330鋼進行改良，研發出了685、686高強韌性裝甲鋼及695超高硬度裝甲鋼。其中在工藝性能等同的條件下，685裝甲鋼抵抗槍、炮彈的性能遠高于前蘇聯的43ΠCM和2Π裝甲鋼。在此基礎上，我國還研發了抗穿甲彈防護系數超過1.3的新型超高強度695(42CrNiMoV HBW514-578)裝甲鋼[14]。表1是上述部分超高強度鋼的合金成分[15]。

表1 部分超高強度鋼的合金成分(%)Table 1 Chemical alloy composition of some ultra-high strength steels(%)

2.2 二次硬化超高強度鋼

二次硬化超高強度鋼指的是在馬氏體鋼中添加了一些如鉻、鎳、鉬、鈷等促進碳化物形成元素，經淬火-高溫回火(500～600 ℃)處理，析出彌散、細小第二相碳化物后，出現硬度升高或是硬度下降減緩的合金鋼[16]。20世紀60年代中葉，美國U.S.鋼公司成功研發出了應用于深海潛水艇的耐高壓低溫、韌性高、強度高的HY180鋼(屈服強度值高達1 200 MPa)[17-18]。其主要通過添加適量的鈦和鈷元素，增加鉻、鉬元素含量，獲得彌散、細小的第二相碳化物來強化馬氏體基體；同時，增加鎳含量(10%以上)，降低鋼的脆性轉變溫度，從而提高鋼的韌性；降低碳含量，保證鋼的焊接性。而K.J.Handerhan等[19 ]通過深入研究HY180鋼，經過調整一些元素的含量(增加鈷和碳含量)，并經過830℃的油淬熱處理，又在510℃進行時效處理后，成功研發出了應用于航空界的具有超強韌性(斷裂韌性值高達154 MPa·m1/2)、超高強度(屈服強度值高達1 517 MPa)，焊接性能和加工性能均優的鋼——AF1410鋼。經過不斷探索，美國Carpenter公司成功研發出了強度更高，抗疲勞性更強，抗應力腐蝕開裂能力更大的AerMet100鋼(屈服強度值高達1 750 MPa，斷裂韌性值高達135 MPa·m1/2)[20]，是新型戰機起落架結構件的首選材料。后來結合了AerMet100鋼的優勢，該公司開發了抗拉強度值高達2 172 MPa的AerMet3100鋼，但其相對韌性較低。AF1410鋼、AerMet100鋼的強化主要是通過增加碳和鈷元素含量，來增加更多細小第二相碳化物的形核位置和析出數量，從而保證超高的強度。因為鎳和鈷元素含量大，該系列鋼合金成本高，且在成型生產時易產生偏析等缺陷，所以后期發展受到了限制。2014年，較低成本的Ferrium M54鋼被研發出[21]，其屈服強度值高達1 965 MPa，斷裂韌性值高達110 MPa·m1/2。Ferrium M54鋼采用降低鈷含量來降低合金成本，并添加適量的釩、鈦和鎢元素，其中釩可形成富釩的碳化物，增加強化作用；鈦形成富鈦的碳化物，可抑制高溫奧氏體的粗化；鎢可促進細晶強化來增加強度。將Ferrium M54鋼試用在艦載教練機用阻攔鉤桿和攔阻鉤頭上，結果表明該鋼具有損傷容限特性、超高的強韌比及優良的綜合性能，且合金成本低，可用于飛機起落架的制造[3]。

近年來，中國在該類鋼的研究上有很大的突破，最具代表的是G99鋼和G50鋼。G99鋼是由我國冶金部鋼鐵研究總院、航天部七零三所、川投長城特殊鋼公司、東北大學共同承擔研制的[22]。此鋼的屈服強度值高達1 520 MPa以上，斷裂韌性值高達124 MPa·m1/2以上，與上述美國的AF1410鋼相當，在航空界的應用前景廣闊。為了降低成本，我國又自行研發了用于航天的專利鋼—G50鋼[23]。G50鋼是一種經濟成本較低，且具有超高強度(屈服強度值高達1 380 MPa)和超高韌性(斷裂韌性值高達105 MPa·m1/2)的鋼。該鋼中不含鈷元素，添加了少量的鎳、硅元素(用于固溶強化和推遲低溫回火脆性)和鈮元素(用于細化晶粒)。表2是常溫下上述部分二次硬化超高強度鋼的力學性能。

表2 常溫下部分二次硬化超高強度鋼的力學性能

2.3 超高強度馬氏體時效鋼

超高強度馬氏體時效鋼是指經時效處理后[24]，在超低碳馬氏體基體上析出多樣化納米級彌散分布的金屬間化合物，通過Orowan機制形成硬化現象的超高強度鋼。美國鎳公司于1961年至1962年間，首次發現可以大幅度提升馬氏體硬化強度，其方法是向鐵鎳馬氏體合金中添加了鉬、鈦和鈷元素。這是因為鉬和鈦元素可與鎳形成納米級彌散分布的化合物進行強化；鈷元素主要是通過影響鋼中高密度位錯的亞結構來促進納米級鉬金屬間化合物的均勻形核及彌散析出，還可通過提高馬氏體轉變點等來提高強度和保證塑韌性。經驗證得出18Ni(200)鋼與18Ni(250)鋼的屈服強度值分別高于1 400 MPa和1 700 MPa，將這2種鋼首次用在了火箭發動機殼體上。隨后還得到了屈服強度值達2 000 MPa的18Ni(300)[25]，這引起了人們對馬氏體時效鋼的研發熱潮。屈服強度值高達2 400 MPa的18Ni(350)馬氏體鋼被成功研發，隨后，繼續研發出屈服強度值為2 800 MPa和3 500 MPa的 18Ni(400)鋼和18Ni(500)鋼，但這2種鋼并未真正實際應用[26]，這是因為生產這2種鋼的工藝相當復雜，且它們的韌性很低。此間，德國、前蘇聯、日本也開始了對馬氏體鋼的研發。日本首先從濃縮鈾離心機開始對該系列鋼的研究。

過渡族金屬鈷元素是比較緊缺的資源，由于18Ni系的馬氏體時效鋼中需要添加8%～12%的鈷元素，導致其經濟成本太高，其后續發展受到了極大的影響。故此，無鈷馬氏體時效鋼成為研究熱點。美國鎳公司首當其沖成功的研發出了不含鈷元素的18Ni馬氏體時效鋼[27]，而后與其他公司合作，成功研發出了T250無鈷馬氏體時效鋼[28]。隨后又相繼研發了與含鈷18Ni馬氏體時效鋼性能等同的T-200鋼和T-300鋼。同期，日本也成功研發出了Fe-14Ni-3Cr-3Mo-1.5T的無鈷馬氏體時效鋼，韓國也成功研發出了無鈷馬氏體時效鋼W-250鋼。這些鋼除綜合性能好外，更大的優勢在于其生產成本降低了五分之一至三分之一[29]。

我國試從無鈷馬氏體鋼中添加銅元素開始研制馬氏體時效鋼，但經過研究發現此鋼的力學性能較差，特別是塑韌性均很低。經過努力，后來何毅等[30]也成功研制出用于固體發動機殼體的T-250鋼(屈服強度值為1 655 MPa)和性能與18Ni(300)含鈷馬氏體鋼接近的T-350鋼(屈服強度值為2 150 MPa)。

上述的馬氏體時效鋼主要通過金屬元素析出大量半共格第二相來阻礙高密度位錯運動，從而提高鋼的強度，但此方法已不能再進一步提高馬氏體時效鋼的強度。2017年，Jiang等[31]開發了以最小晶格錯配度實現高密度共格納米第二相析出強化的Fe18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B新型無鈷超高強度馬氏體時效鋼，其抗拉強度值為2 200 MPa，延伸率為8.2%。此鋼將昂貴的鈷和鈦元素用鋁元素來替換，有效地降低合金成本，開拓了馬氏體時效鋼的研究思路，擴大了該類鋼的工程應用范圍。表3是國際上典型馬氏體時效鋼的成分和性能。

表3 國際上部分馬氏體時效鋼的成分和力學性能

3 超高強度鋼的熱處理工藝

為使鋼的抗拉強度值高于1 500 MPa，延伸率值大于10%，研究表明鋼的顯微組織中只有呈位錯條狀馬氏體組織可能達到要求[32]，這需采用淬火的熱處理工藝實現。目前，超高強度鋼的熱處理工藝有3種，分別是傳統的淬火-回火工藝，新研發的淬火-碳配分工藝及改進型的淬火-碳配分-回火工藝。

3.1 淬火-回火工藝

淬火-回火工藝是指將鋼件加熱至奧氏體相區或奧氏體與鐵素體兩相區以上某一溫度并保溫一定時間，快速浸入淬冷介質中冷卻，形成強度及硬度都高的馬氏體組織及殘余的奧氏體組織，隨后將鋼件再次加熱到某一溫度保溫，并在油中或空氣中冷卻而獲得穩定的回火組織的工藝。經過淬火-回火的熱處理工藝，得到的混合組織有馬氏體和回火穩定組織，使鋼件具備良好的綜合性能。G50超高強度鋼通過此工藝，得到較好的強度及韌性[33]。

3.2 淬火-碳配分工藝

研究發現淬火鋼中的殘余奧氏體可以保證鋼的韌性和塑性[34，35]。故Speer等[36]提出淬火-碳配分工藝，即將鋼加熱到完全奧氏體化溫度(也可在奧氏體與鐵素體兩相區)區間保溫一段時間，淬火到馬氏體相變開始溫度(Ms)和相變結束溫度(Mf)之間的一定溫度，形成一定比例的馬氏體和殘余奧氏體，隨后升溫至淬火溫度(一步法)或至Ms以上一定溫度(兩步法)進行保溫，此過程應用阻礙碳化物析出元素(硅、鋁或磷)使得馬氏體中的碳充分向殘余奧氏體擴散分配。再冷卻到室溫，此過程由于殘余奧氏體的富碳而穩定性增加，故冷卻時不發生馬氏體轉變，在室溫下能夠穩定存在。與淬火-回火工藝相比，這種工藝既能保證鋼足夠的強度，還提高了其塑性和韌性，具有較優的強韌比。香港大學設計的10Mn-0.44C-1.87Al-0.67V新型配分鋼通過軋制工藝改變亞穩態奧氏體的形貌[37]，實現了超高強度和斷裂韌性的良好結合。

3.3 淬火-碳配分-回火工藝

由于淬火-碳配分工藝忽視了非滲碳體碳化物析出強化的應用，過度關注淬火后馬氏體中過飽和碳元素向殘余奧氏體中配分，使得配分溫度比較隨意。我國的徐祖耀等[38-39]在淬火-碳配分工藝基礎上提出了添加形成碳化物元素(鉬、鈮、鎳等)的淬火-碳配分-回火的熱處理工藝。該工藝為了保證能得到細小的奧氏體晶粒，將鋼加熱到較低的奧氏體化溫度并保溫一定時間，然后進行淬火，淬火溫度為Ms與Mf之間的一定溫度，這是為了獲得一定比例的板條馬氏體和一定厚度的薄片狀殘余奧氏體，此間會有過渡碳化物從馬氏體中沉淀析出。為了能讓殘余奧氏體在室溫下也保存下來，本工藝在淬火后升溫到Ms以上一定溫度并保溫，讓馬氏體中的碳元素能有足夠的能力擴散到殘余奧氏體中并富集，保證了殘余奧氏體室溫下也能穩定存在而不發生分解，此間也會有碳化物析出。最后進行水冷工藝。對比上述2種鋼的熱處理工藝，后者充分利用了非滲碳體的合金碳化物在馬氏體上沉淀強化作用，鋼強度得到有效地提高，同時利用能保存到室溫而不發生分解的富碳殘余奧氏體，保證了鋼的強塑性和韌性，具有更優的綜合性能。如王曉東等[40]研究的中碳鋼Fe-0.485C-1.195Mn-1.185Si-0.98Ni-0.21Nb，經淬火-碳配分-回火工藝后，其抗拉強度值為2 000 MPa，延伸率為10%。

4 超高強度鋼的發展方向

當今全球經濟飛速發展，眾多領域都在積極引入超高強度鋼，需求量日益增大。尤其是航空、航海等領域，因行業的特殊性，對超高強度鋼在強度、塑韌性、抗疲勞性、抗蝕性、低成本等方面都有著更高的要求，這是今后研發新型超高強度鋼重點和難點。本文擬從以下5個方面來探索超高強度鋼的發展方向。

1) 高通量材料集成技術的智慧化服務

傳統鋼鐵材料以“實際需求-經驗設計-實驗論證”的試錯方式進行研發，從設計到使用整個過程周期長，且浪費材料，成本很高，這已不能滿足超高強度鋼的發展需求[41]。隨著“材料基因組計劃”的提出[42]，高通量材料集成計算因精度高，周期短的優勢已成為鋼鐵材料研發的新技術[43]，上述的Ferrium M54鋼就是通過高通量材料集成技術進行設計的新型低成本超高強度鋼。今后，若在可視化數據采集及應用等方面進一步突破，高通量材料集成技術將會實現智慧設計、智慧生產與智慧服務，這將縮短研發應用周期、節約材料、降低綜合成本，大幅提高超高強度鋼的綜合性能。

2) 復合材料的可設計性

單一的鋼鐵材料存在著彈性模量低、強韌比差等的缺陷。將鋼鐵材料與不同材料復合得到的新型鋼鐵材料綜合性能好、生產成本低，是今后鋼鐵復合材料開發的熱點。上述的Fe18Ni3Al4Mo0.8Nb0.08C0.01B就是以金屬第二相顆粒彌散強化復合的新型馬氏體超高強度鋼。

3) 熱處理工藝的改善

熱處理工藝一直是鋼鐵材料成型后改善其組織和性能的重要方法。近年來，在新型淬火-碳配分工藝上改進的淬火-碳配分-回火工藝，通過析出非滲碳體合金碳化物的分布及對殘余奧氏體的影響，有效地提高了鋼強度和塑韌性。進一步改善淬火溫度、保溫時間及回火溫度等工藝的合理配合，將更有利于今后超高強度鋼的強韌性提升。

4) 激光增材制造技術的應用[44]

通過添加稀有昂貴金屬來提升鋼鐵材料性能的方法，一方面因合金成本昂貴，另一方面在鋼件成型加工時因合金元素引發的成分不均勻和偏析現象，造成了材料的大量浪費。近幾年迅速發展的激光增材制造技術，是一種可以實現鋼結構件的精密成型和高性能的裝備制造技術，鋼件在整個生產制作過程中不需要模具，不僅大大的節約了材料，有效地縮短了生產周期，而且極大地降低生產成本。該技術在今后超高強度鋼研發方面具有極大的應用前景。

5) 綠色化可持續發展

面對地球能源的不斷減少和全球氣候的變暖，從能源綠色可持續發展和環境保護的角度出發，資源省、功能強、壽命長、環境好的綠色化鋼鐵材料成為超高強度鋼生產工藝技術研究開發的新熱點。

5 結論

超高強度鋼經過幾十年的發展，已經取得了很大的進步，在航空、航海、軍工等特殊領域已發揮了不容忽視的作用。高性能、長壽命、低能耗、低成本、高通量材料集成技術的智慧化服務、綠色化可持續發展是今后超高強度鋼的主要發展方向。