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超高强度是钢材的研究方向

发表时间:2015-03-17 11:34  责任编辑:山东基诺悦  点击:
超高强度是钢材的研究方向
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,如已经大量应用于火箭发动机外壳、飞机起落架、防弹钢板等性能有非凡要求的领域。
    综合媒体2007年8月28日报道,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。超高强度钢除了要求其高的抗拉强度外,还要求具有一定塑性和韧性、尽可能小的缺口敏感性、高的疲惫强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等。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,如已经大量应用于火箭发动机外壳、飞机起落架、防弹钢板等性能有非凡要求的领域,而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军事装备上。因此,超高强度钢不仅是钢铁材料研究的重要方向,而且具有广阔的应用和发展前景。
    超高强度钢的发展
    超高强度合金钢是为满足某些非凡要求发展起来的,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,在这里将不拟述及。
    1.低合金超高强度钢
    低合金超高强度钢大多是AISI 4130、4140、4330 或4340的改进型钢种。AISI 4340 是最早出现的低合金超高强度钢,它于1950年开始研究,并于1955年开始用于飞机起落架。通过淬火和低温回火处理,AISI 4130、4140、4330 或4340钢的抗拉强度均可超过1,500MPa,而且缺口冲击韧性较高。
    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。该钢通过添加了1%至2%的硅来提高回火温度(260至315摄氏度),并可抑制马氏体回火脆性。另外,通过调整碳含量和添加少量钒,又开发了AMS 6434 和LadishD6AC钢。20世纪80年代,中国通过对AISI 4330的改进,研制开发了高强韧性能的685和686装甲钢。在AISI 4340 的基础上,中国还研制了新型超高硬度695装甲钢,其抗穿甲弹防护系数达到1.3以上。值得注重的是,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。
    2.二次硬化超高强度钢
    随着航空工业的快速发展,开发强度高、断裂韧性好、可焊接性好的新型航空材料成为发展方向。研究者于20 世纪70 年代开发了HY180钢。为了达到航空构件材料的损伤容限和耐久性,70 年代末Speich 和Chendhok 等在对Fe10Ni 系合金钢进行的研究基础上,对HYl80 进行了改进,开发了AF1410超高强度合金钢,该钢经830℃油淬正510℃时效后,σ0.2大于等于1517MPa,KⅠc大于等于154MPa m1/2。因此该钢以极高的强韧性、良好的加工性能和焊接性能成为受航空界欢迎的一种新型高强度钢。
    在保持AF 1410 超高强度合金钢良好韧性的基础上,为进一步提高其强度及在海水环境中的抗应力腐蚀开裂性能和降低韧脆性转变温度,1991 年Hemphill 等开发了Aermet100 超高强度合金钢。该钢与AF 1410 钢相比,强度有了进一步提高(屈服强度提高到2000 MPa),但韧性稍有下降(断裂韧性为115MPa m1/2)。
    中国近年来一直在二次硬化钢上寻求突破,现在已经成功地研制出具有中国特色的G99 和G50 新型超高强度钢。G50 是一种经济型无钴低合金超高强度钢,是中国自行研制的用于航天的专利钢种,其主要特点是成本低、高强高韧。
    中国超高强度钢的研究进展
    1.低合金超高强度钢
    中国低合金超高强度钢的研究开始于20 世纪50 年代,一是仿制国外已有的牌号,五六十年代主要以仿制前苏联的钢种为主,如30CrMnSiNi2A,70 年代开始以仿制美国的钢种为主,如4340、300M、D6AC 等。二是根据中国的资源情况和工程的需要,自主开发研制了具有中国特点的低合金超高强度钢,如406 钢等。
    中国成功仿制了一系列国外钢种,在许多重大工程中发挥了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A 是仿制前苏联30XГCH2A 钢生产的。70 年代开始仿制美国的钢种,最具代表性的有40CrNi2MoA 钢,是仿4340 钢研制而成的;40Si2Ni2CrMoVA 钢是仿美国的300M 钢研制的,45CrNiMo1VA是仿D6AC 钢研制的。
    在50年代,中国立足国内资源,走自我研制的道路,先后研制出一系列新型合金钢种,如无镍铬的35Si2Mn2MoVA,不含镍的406、D406A、40CrMnSiMoVA(GC-4),含少量镍的37Si2MnCrNiMoVA 等。406 钢是国内自行设计、自行研制最成功的典范,它是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢。为了提高材料的韧性又开发了D406A。
    中国常规武器用超高强度钢自50 年代开始研究以来,在科研人员的努力下,开发出一批符合中国资源配比的高强度钢,它们广泛应用于国内步兵轮式战车、枪、炮、弹等领域。中国新研发的速射武器身管用钢获得了国家二等科技发明奖,该钢属贝氏体钢范畴,经调质处理后具有优良的综合力学性能、高温性能及疲惫性能,应用于速射武器身管、耐烧蚀零件(如气体调整器、活塞等。另外,立足于中国资源而研制的中碳低合金钢,该钢主要用于制造机枪的枪管、活塞、击针以及小口径火炮的炮箱、受弹器、高强度螺栓和轴等。新型高硬度装甲钢,是中国为改善高压钨钢焊接性能而自行研制的新钢种,应用于轻型坦克的薄板装甲板、履带车辆等领域。
    2.二次硬化超高强度钢的研究进展
    近年来,国内又先后研制了G99 和G50 两种超高强度钢。G99 是由中国钢铁研究总院、长城非凡钢公司、航天部七O三所、东北大学共同承担研制的,与国外应用最广的AF1410相当,在航空航天上具有广阔的应用前景。为了降低成本,中国开发了G50 钢,该钢的特点是价格低廉、强度韧性也很高,是具有中国特色的新型无钴高强高韧钢。G50 通过添加1.50%至2.30%的Si 来推迟低温回火脆性,Si 同时起固溶强化的作用,为了细化晶粒,G50 中又加进了0.01%至0.06%的铌。在有害气体的控制上,中国的这两种钢都相当好,基本已经达到了高纯净度钢的要求。
    提高超高强度钢纯净度的冶炼工艺
    由于超高强度钢具有很高的强度,因此这些钢对各种表面缺陷如裂纹、夹杂、焊缝和表面加工所造成缺陷十分敏感。近年来如何降低超高强度钢的缺口敏感性、提高钢的韧性成为一个重要的研究方向。为了改善钢的韧性,近年来冶金工作者围绕如何降低钢中有害杂质元素含量和改善夹杂物的形态以提高钢的韧性进行了大量的研究。美国的钢种多采用真空感应+真空自耗重熔的双真空工艺,俄罗斯多采用电渣重熔的冶炼工艺。从生产检验标准的变化来瞧也说明人们在努力追求更高的纯净度和冶金质量。如美国的300M 钢,1961年SAE 颁布了第一个标准,即采用非真空冶炼的AMS 6416,1968 年SAE 又颁布了采用真空冶炼的AMS 6417, 1976 年修订为AMS 6417B, 1989 年修订为AMS 6417C,到1991 年修订为AMS 6417D。同样,D6AC 的标准从1964 年的AMS6431A 到1980 年己修订为AMS 6431F。每一次修订均在钢的内在质量、纯净度和低倍组织等方面提出了更高的要求。
    国内超强钢的冶炼主要是通过双真空炉来完成,即真空感应炉熔炼+真空电渣重熔,中国在研究G50 钢的过程中采用了高纯化熔炼新技术,这是保证钢具有优良韧塑性的重要条件。该技术的主要特征是:根据G50 钢成分特点,在真空感应冶炼过程中加进微量的稀薄渣及适量的Ca-Si 块,以改变原有夹杂物的性质,从而提高G50的韧塑性。AMS6532中规定S小于等于0.005%、P小于等于0.008%、O小于等于0.0020%、N小于等于0.0015%、Al小于等于0.015%、Ti小于等于0.015%。Aermet 系列和中国的G99、G50 的纯净度都远远超过了这个标准的要求。
    超高强度钢在军事的应用
    AISI 4340 钢是最早出现的低合金超高强度钢,也是低合金超高强度钢的典型代表。美国从1950 年开始研究4340钢,1955 年正式用于飞机起落架。1952 年美国国际镍公司研制开发出的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。美国于60 年代初开始研制D6AC,它是由AISI 4340 钢改进而成的低合金超高强度钢,被广泛用于制造战术和战略导弹发动机壳体及飞机结构件。到了70 年代中期,D6AC 逐渐取代了其它合金结构钢,成为一种制造固体火箭发动机壳体的专用钢种。美国新型地空导弹“爱国者”,小型导弹“红眼睛”,大中型导弹“民兵”、“潘兴”、“北极星”、“大力神”等,D6AC 还曾用于制造F-111 飞机的起落架和机翼轴等,成为宇航工业使用的优秀材料之一。
    俄罗斯在前苏联时期开始研制低合金超高强度钢,时间大体上与美国同步,具有自己的钢种体系,由于镍的加进提高了钢的强度、塑性和韧性,也提高了钢的淬透性,由此改良和派生出了一系列钢种。40XH2CMA 是在40XH2MA 基础上发展起来的,40XH2CBA是用W 代替40X H2CMA中Mo而成的。近十几年来他们又研制了新型经济型的低合金超高强度钢,其抗拉强度分别可达到1800至2000MPa 和1950至2150MPa。
    为满足快速发展的航空工业对材料的需要,人们分析了航空构件的结构重量效率和对材料断裂韧性的要求,提出了开发新型二次硬化高强度合金钢来代替低合金超高强度钢的目标。有资料显示,美国ARDEC 公司曾将AF1410 制成120毫米 火炮身管前端3米 长的套管,以减轻火炮前部的质量,另外美国将此合金用于空间发射空间器材或作为拦截导弹的弹丸发射器使用。二次硬化钢Aermet 100 是综合性能最高的材料之一,也是国际上超高强度钢研究的热点,第四代战斗机和航母舰载机起落架之首选材料。美国己成功地将其应用在最先进的F-22 隐形战斗机起落架上和F-18 舰载机的起落架上。Aermet 100 钢具有最佳的强韧性配合和广泛应用前景,将成为未来军事装备中要害器件的首选材料。
    中国超高强度钢的应用对象主要是航空工业,406 钢是为解决航天固体火箭发动机壳体材料而研制的超高强度钢,D406A 钢降低了强度,但却大幅度提高了韧性,已成为中国大中型固体火箭发动机的专用钢种。1980 年中国开始仿制300M 钢,从“六五”到“九五”期间,钢铁研究总院和抚顺非凡钢公司在钢的纯净化方面做了大量的工作,并发展了超纯冶金技术,将该钢成功地用于歼击机起落架上,使中国实现了飞机与起落架同寿命的壮举。45CrNiMo1VA 钢是仿美D6AC 研制的,已成功用于地空导弹的发动机壳体。“八五”期间成功用于制造反坦克导弹的发动机壳体和高压气瓶。
    45CrNiMo1VA 具有优良的强韧性配合及工艺性能,是制造薄壁壳体的理想材料,在航天领域具有广阔的应用前景。32 钢应用于速射武器身管、耐烧蚀零件;30SiMn2VA钢用于制造机枪的枪管、活塞、击针以及小口径火炮的炮箱、受弹器、高强度螺栓和轴等;616 钢应用于轻型坦克的薄板装甲板、履带车辆等领域;38CrSi 用于制造装甲车辆上的小轴、螺栓、履带销、行星齿轮、齿套、定位圈等多种零件;38CrNi3MoVA 为联合研发的低合金超高强钢,其综合力学性能超过PCrNi3MoVA 钢,是国内火炮身管用钢、大型受力部件的理想材料。
    低合金超高强度钢的生产成本低廉,生产工艺比较简单,仍然是今后在军事装备中使用量最大的钢种。通过提高冶金质量、调整成分和改善热处理工艺,这类钢可满足各种使用要求。
    二次硬化超高强度钢具有极高的强度和良好的强韧性匹配,还具有良好的抗海水腐蚀性能和极好的焊接性能等特点,是超高强度钢中的佼佼者。通过这些钢的应用可以极大地推进武器装备轻量化、紧凑化的进程,对提高武器装备的战术技术性能具有重要作用。因此,中国的发展重点应是大力开发经济型二次硬化超高强度钢,以满足飞机的承力部件、坦克和装甲车辆的结构件、火炮身管和各种枪械等研制的需求,这将对兵器装备的发展、研制水平的提升都有十分重要的作用。
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