第7章超高强度钢
王春旭梁剑雄
7.1超高强度钢产业发展的背景需求及战略意义 125
7.2超高强度钢产业的国际发展现状及趋势 129
7.3超高强度钢产业的国内发展现状 145
发展我国超高强度钢产业的主要任务是什么，存在哪些主要问题呢？
7.5推动我国超高强度钢产业发展的对策和建议 160
7.6 针对国家 2035 年的重大战略需求，对超高强度钢产业技术进行预判以及进行战略布局，数量为 161。
7.2
超高强度钢产业的国际发展现状及趋势
7.2.1 低合金超高强度钢
低合金超高强度钢是在调质结构钢的基础上逐步发展起来的。在这种钢中，加入了多种微量的合金元素。这些合金元素使得钢能够实现固溶强化，同时还能提高钢的淬透性以及马氏体回火的稳定性。其主要的合金元素包括锰、铬、硅、镍、钼、钒等，并且这些合金元素的总含量通常不会超过 5%。这类钢与一般合金结构钢相比，钼含量稍高钢材强度表，其他元素基本无差别。大致可分为铬钼钢、铬镍钼钢、铬锰硅钢、铬锰硅镍钢、硅锰钼钒钢等几个钢系。含碳量通常在 0.27% 至 0.50% 之间。最终热处理一般是淬火加低温回火，或者进行等温淬火。使用状态下的组织为回火马氏体或下贝氏体，其强度主要由钢中含碳量或者马氏体固溶的碳浓度所决定。研究显示，低合金超高强度钢的抗拉强度与含碳量存在直线关系。
式中，C%表示钢中碳含量，其适用范围是（0.30% ～ 0.50%）C。按照公式计算，当碳含量为 0.30%的时候，钢的强度在某个数值左右；当碳含量为 0.40%的时候，强度在另一个数值左右；若碳含量达到 0.50%的时候，钢的强度接近某个数值。含碳量对钢性能的影响是极为显著的。含碳量增加时，强度会大大提高。然而，其塑性和韧性会明显降低。同时，工艺性能（像加工性、焊接性等）也会随之恶化。所以，碳含量一般不超过 0.50%。
低合金超高强度钢一般在低温回火的状态下被使用。这样做能够改善回火马氏体的韧性与塑性。并且对于降低缺口敏感性具有重要意义。为提高回火马氏体的塑性和韧性，一般会在钢中加入镍以及少量的铬和硅。尤其值得注意的是，在钢中加入 1%～2%的硅，能够使钢产生低温回火脆性的回火温度范围朝着更高的温度方向移动。正因如此，如今发展的低合金超高强度钢通常都会添加 1%～2%的硅，300M 钢便是典型的例子。钢加入适量的钒、钛、铌等，能够细化奥氏体晶粒。所以可以细化马氏体组织，进而改善回火马氏体的韧性。在低合金超高强度钢中，常加入一定量的钼，钼能破坏碳化物薄膜的连续性，因此它有改善回火马氏体韧性和塑性的作用。
低合金超高强度钢是超高强度钢中发展较早的一种。它的生产成本较为低廉，生产工艺也比较简单，并且用量较大。主要在航空航天领域用于高强度结构件。其用量到现在依然占超高强度钢总产量的大部分。
国外低合金超高强度钢大致可分为欧美系列以及俄罗斯（苏联）系列。其中，欧美系列主要是以美国钢号为代表。表 7 - 2 所展示的是欧美常用的低合金超高强度钢的牌号及化学成分，表 7 - 3 所展示的则是俄罗斯常用的低合金超高强度钢的牌号及化学成分。钢是最早出现的低合金超高强度钢，并且它也是低合金超高强度钢的典型代表。美国于 20 世纪 40 年代中期起研究 4340 钢。他们降低回火温度，让钢的抗拉强度达到 1600 - 。1955 年，4340 钢开始被用于 F - 104 飞机起落架。通过淬火和低温回火处理，4140、4330 或者 4340 钢的抗拉强度都能超过 ，并且其缺口冲击韧性较高。普惠公司在发动机上的应用中钢材强度表，其多个型号的发动机低压涡轮轴大量使用 4340 钢来制造。
表 7-2欧美国家常用低合金超高强度钢的牌号及化学成分
表 7-3俄罗斯常用低合金超高强度钢的牌号及化学成分
1952 年研制开发了 300M 钢（又名 4340M）。其目的是抑制低合金超高强度钢的回火脆性。这种钢是在钢的基础上进行改进的，加入了约 1.5%的硅，以及 0.05%～0.10%的钒。同时还稍微提高了碳和钼的含量。这样做既避免了低温回火脆性，又提高了延迟破坏特性。1966 年之后，300M 钢被用作美国军机和主要民航飞机的起落架材料并获得广泛应用。到现在，几乎所有的民航飞机都仍在大量使用 300M 钢，并且在世界范围内被广泛采用。F-15 飞机的起落架、F-16 飞机的起落架、DC-10 飞机的起落架、MD-11 飞机的起落架，以及系列飞机的起落架、空客系列飞机的起落架和运输机的起落架等，飞机机翼的襟翼滑轨、缝翼管道等均用 300M 钢制造。虽然 4340 钢和 300M 钢为代表的低合金超高强度钢具备高强度，但是它们的断裂韧性比较差，它们的抗应力腐蚀能力也比较差，所以它们的应用受到了一定的限制。
美国在 20 世纪 60 年代初着手研制 D6AC。D6AC 是由某种钢改良得到的低合金超高强度钢。它被广泛应用于制造战术和战略导弹的发动机壳体以及飞机的结构件。到了 70 年代中期，它逐渐取代了其他的合金结构钢。之后，它成为了制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国有新型地空导弹“爱国者”，还有小型导弹“红眼睛”，以及大中型导弹“民兵”“潘兴”“北极星”“大力神”等。美国航天飞机的φ3.7m 助推器是用 D6AC 钢制造的。D6AC 也曾被用于制造 F-111 飞机的起落架和机翼轴等。所以 D6AC 钢是宇航工业使用的优秀材料之一。70 年代中期，在 4340M 钢的基础上进行改进。将硅的含量提升至 2.5%，把钒增加到 0.2%，从而研制出了高强度的 HP310 钢。这种钢的抗拉强度达到了一定数值，并且大截面棒材的横向断面收缩率依然能够保持在 25%以上。
俄罗斯在苏联时期开始研制低合金超高强度钢，其开始时间大致与美国同步。俄罗斯的钢种有自己的体系，其中最具代表性的钢有 30ХГСН2А 和 40ХН2СМА(ЭИ643)。30ХГСН2А是在 30ХГСА 的基础上添加了 1.4% 到 1.8% 的镍，从而形成了低合金超高强度钢。因为镍的加入，使得钢的强度得以提高，同时塑性和韧性也得到了提升，并且钢的淬透性也提高了。基于此改良，派生出了一系列钢种，例如：30ХГСНМА、30Х2ГСН2ВМ、30X2Н2СВМФА、30Х2ГСНВА 等。
40ХН2СМА 是基于 40ХН2МА 发展起来的。40ХН2СВА 是用 W 来替换 40ХН2СМА 中的 Mo 从而形成的。十几年来研制了新型的低合金超高强度钢 35ХСН3М1А（BKC-8）和 35ХС2Н3М1ФА（BKC-9），这些钢是经济合金化的。35ХСН3М1А（BKC-8）的抗拉强度可达到 1800 ～ ，35ХС2Н3М1ФА（BKC-9）的抗拉强度可达到 1950 ～ 。
除美国和俄罗斯外，其他国家的超高强度钢钢种数量较少。法国拥有一些超高强度钢，比如[具体钢种 1]、[具体钢种 2]等。日本等国家的超高强度钢基本上与美国的相近。例如，JIS- [对应的钢种]相当于[美国的某种钢]。美国的 4340 钢、300M 钢等基本上已成为全世界通用的钢种，主要工业国家像英国、法国、德国、日本、加拿大、奥地利、意大利、澳大利亚等国都生产 300M 钢。
超高强度钢强度很高，所以钢对各种表面缺陷十分敏感，这些表面缺陷包括裂纹、夹杂、焊缝以及表面加工所造成的缺陷。在使用过程中，当有应力作用时，在塑性变形很小的情况下，裂纹会扩展到临界尺寸并突然扩展，从而导致材料发生灾难性的脆性破坏。因此，近年来人们努力的方向是降低超高强度钢的缺口敏感性，提高钢的韧性。为改善钢的韧性，提升钢在工作条件下的安全可靠性，一种有效的方法是严格限制钢中夹杂、气体及有害杂质元素的含量。近年来，广大冶金工作者围绕降低钢中有害杂质元素含量以及改善夹杂物形态这两方面，努力提高钢的韧性等做了大量工作。特别是超纯净化技术迅速发展，能使钢中的有害元素含量降至 ppmA 级。目前超高强度钢的生产倾向于使用一些冶炼工艺来提高钢的纯净度，比如炉外精炼、真空感应、电渣重熔和真空自耗重熔等。美国的钢种大多采用真空感应加真空自耗重熔的双真空工艺。俄罗斯则多采用电渣重熔的冶炼工艺。从生产检验标准的变化情况来看，这表明人们正在努力追求更高的纯净度以及更高的冶金质量。1961 年，SAE 针对美国的 300M 钢颁布了第一个标准，此标准采用非真空冶炼。1968 年，SAE 又颁布了采用真空冶炼的标准。1976 年，该标准进行了修订。1989 年，再次修订。到 1991 年，又一次修订。同样，D6AC 的标准从 1964 年开始，到 1980 年已修订为新的标准。每一次修订都对钢的低倍等方面提出了更高要求。
我国低合金超高强度钢的研究始于 20 世纪 50 年代。其一，是对国外已有的牌号进行仿制。在五六十年代，主要是以仿制苏联的钢种为主，例如仿制 30XГCH2A 钢。到了 70 年代，开始以仿制美国的钢种为主，像仿制 4340 钢、仿制 300M 钢、仿制 D6AC 钢等。一是根据我国的资源情况，由于缺乏钴、镍等贵金属，二是为了满足工程的需要，所以自主开发研制了具有我国特点的低合金超高强度钢。例如有不含镍铬的，像 406()、D406A()、(GC - 4)等；还有含少量镍的等。表 7 - 4 为我国低合金超高强度钢的牌号和化学成分。
表 7-4我国低合金超高强度钢的牌号及化学成分
1980 年我国开始对 300M 钢进行仿制。1988 年，300M 钢已被试生产用作起落架用钢。“七五”攻关后，国产 300M 钢的各项性能满足了美国宇航材料标准的要求；“八五”攻关后，国产 300M 钢的各项性能达到了美国更高要求的材料标准，并且在钢的内在质量、纯净度和低倍组织等方面都有了提升，提升了一个等级。提高钢的纯净度，减少气体含量以及非金属夹杂物，这是提高钢的冶金质量和韧性的关键举措。在“六五”“七五”“八五”直至“九五”期间，钢铁研究总院（钢研总院）与抚顺特殊钢股份有限公司（抚钢），在钢的纯净化领域开展了诸多工作，并且还发展了超纯冶金技术。抚钢采用双真空工艺生产的φ300mm 的 300M 钢，其各项性能达到了美国最新标准的要求，且与美国的实物水平相当。国产钢的 S 含量在 0.001% 至 0.003%之间，P 含量在 0.005%以下；美国钢的 S 含量小于等于 0.001%，P 含量小于等于 0.003%。国产 300M 钢已被成功应用于歼 8Ⅱ、歼 8Ⅲ和歼 10 飞机的起落架。这使得我国达成了飞机机体与起落架同寿命的设计目标。在仿制国外牌号的同时，我国的低合金超高强度钢立足于国内资源，走上了自我研制的道路。
我国在 20 世纪 50 年代就开启了此项工作，研制出了一系列钢种。其中有不含镍铬的钢种，还有不含镍的 406、D406A、（GC - 4）等。也有含少量镍的钢种等。406 钢系列是我国自主设计且自行研制最为成功的范例，它是为解决航天固体火箭发动机壳体用材料而研发的超高强度钢。D406A 钢采用双真空冶炼，其纯净度很高，强韧性配合良好，已成为我国大中型固体火箭发动机的专用钢种。该钢的生产标准已被纳入国军标。我国很多大型固体发动机壳体都用该钢来制造。
我国对侵彻弹和钻地弹技术的研究不断开展且日益深入，对材料的需求随之变得日益紧迫。弹头所需的材料，除了传统的超高强度钢之外，国内还研制并开发了弹头专用材料，像 DT300 钢和 G50 钢等。这些材料的特点在于采用多元低合金系，具备高强度、高冲击韧性，并且成本较低，从而能够保证可以大批量使用。
7.2.2 马氏体时效超高强度钢
未完待续。。。。
