升级换代的新型低合金超高强度钢

1.概述

这类钢是从调质钢转化而来的，其碳的质量分数在0.3%～0.45%，合金元素含量分数为5%左右。

低合金超高强度钢最后热处理采用淬火加低温回火或等温淬火，使用状态金相组织为回火马氏体或下贝氏体，强度一般在1500～2000MPa范围。具有这种金相组织的钢，其强度主要取决于碳的质量分数，两者的关系如下：

σ_b=2940×C+820

式中 C——碳的质量分数。

按以上公式计算，当碳的质量分数为0.30%时，σ_b约为1700MPa；碳的质量分数为0.40%时，σ_b约为2000MPa；碳的质量分数0.50%时，σ_b约为2300MPa。可以看出，碳的质量分数增高，钢强度随之增加。但碳的质量分数过高，钢的塑韧性下降，工艺性能也随之恶化，因此，碳的质量分数一般控制在0.30%～0.50%范围内。

2.合金元素作用

低合金超高强度钢中合金元素的作用：

（1）改善力学性能 合金元素对钢强度影响较小，但能改善碳在马氏体中的分布，提高回火马氏体的塑性和韧性。Cr、Ni、Mn（＜1%）、Mo、V元素均有良好的影响，复合合金化比单一合金化有更好的效果。V、Ti、Nb能细化晶粒，改善回火马氏体的韧性。

（2）提高钢的淬透性 常加入Mn、Cr、Si、Ni、Mo等元素来提高钢的淬透性，其目的是保证零件整个截面都能淬成马氏体，这是获得超高强度的必要条件。

（3）增加回火稳定性 在所有元素中，Si是提高低温回火稳定性最有效的元素，其次是一些形成碳化物的元素。Si还能显著地提高第一类回火脆性温度，加入w（Si）=1.0%～1.5%，可使第一类回火脆性开始温度由250℃移至300～320℃，Cr、Mo、W的影响次之。由于回火脆性温度和回火稳定性提高，在保证强度的前提下，可适当提高低温回火温度，以改善钢的塑性和韧性，更好地消除应力。

常用低合金超高强度钢的化学成分、热处理和力学性能见表8-1。

表8-1 常用低合金超高强度钢的化学成分、热处理和力学性能(www.xing528.com)

（续）

30CrMnSiNi2A钢是一种应用最广泛的低合金超高强度钢，常用于制作飞机上一些负荷很大的和很重要的零件，如主起落架的支柱、轮叉、机翼主梁等。30CrMnSiNi2A钢是在30CrMnSiA钢的基础上加入w（Ni）=1.4%～1.8%而得到的。由于Ni的加入，提高了钢的强度和韧性。经淬火、低温回火后，σ_b=1600～1650MPa，a_K=100～1200J/cm²。

这种钢的预先热处理采用900℃加热，650℃等温退火，还可以采用900℃正火和随后的不完全退火（780℃，炉冷至650℃出炉空冷）来改善切削加工性。

最终热处理为900℃油淬，200～300℃低温回火，可获得最大强度。为了减少淬火变形，得到较好的韧性，也可采用等温淬火，即在900℃加热保温后淬入硝盐或碱浴中。不同温度等温淬火后的冲击韧度和疲劳强度极限见图8-1和图8-2。等温时间可参考等温转变图（图8-3）来确定，在300℃等温淬火，等温时间约需60min。然后在250～300℃低温回火2～3h。在最后精加工之后，还需补充（200～250）℃×（2～3）h的低温回火，以消除切削加工应力。

图8-1 30CrMnSiNi2A钢不同等温温度淬火后的冲击韧度

图8-2 30CrMnSiNi2A钢弯曲疲劳极限

图8-3 30CrMnSiNi2A钢的奥氏体等温转变图