這是一種新發(fā)展的結(jié)構(gòu)材料。通常認為，抗拉強度超過1500N/mm2或屈服強度超過1380N/mm2的合金結(jié)構(gòu)鋼為超高強度鋼。超高強度鋼是在合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎上發(fā)展起來的，主要用于制造飛機起落架和主梁、固體火箭發(fā)動機殼體、高速離心機旋轉(zhuǎn)筒體和其他承受高應力的結(jié)構(gòu)部件。

1)性能要求

(1)很高的強度、比強度和疲勞強度在靜載荷和動載荷條件下，能承受很高的工作應力，從而可減輕結(jié)構(gòu)重量。為保證極高的強度，此類鋼充分利用了馬氏體強化、細晶強化、化合物彌散強化與溶質(zhì)固溶強化等多種機制的復合強化作用。

(2)足夠的韌性一般以斷裂韌度用為評價超高強度鋼韌性的指標。高的斷裂韌度，使超高強度鋼在復雜的環(huán)境下能承受高的工作應力，不致發(fā)生低應力脆斷。而改善韌性的關鍵是提高鋼的純凈度(降低雜質(zhì)硫、磷質(zhì)量分數(shù)和非金屬夾雜物體積分數(shù))、細化晶粒并減小對碳的固溶強化的依賴程度(故超高強度鋼一般是中低碳、甚至是超低碳鋼)。

2)類別、典型牌號及熱處理

超高強度鋼通常按化學成分和強韌化機制分為：低合金超高強度鋼、二次硬化型超高強度鋼、馬氏體時效鋼和超高強度不銹鋼等四類。

(1)低合金超高強度鋼是在合金調(diào)質(zhì)鋼基礎上發(fā)展起來的，其wC=0.30％～0.45％，wMe=5％左右。常加入的合金元素有Ni、Cr、Mo、V、Ti、Nb、Al、Si、Mn等，其作用是提高鋼的淬透性、固溶強化、細化晶粒和提高回火馬氏體與鐵素體的穩(wěn)定性。此外，Mo能防止第二類回火脆性，Si能使第一類回火脆性出現(xiàn)的溫度向高溫推移。通常采用電弧爐或真空感應爐冶煉鑄成電極再經(jīng)真空自耗重熔的方法降低鋼中氣體和非金屬夾雜物，提高鋼的純凈度，改善斷裂韌度。通過淬火和回火或者等溫淬火處理，可獲得回火馬氏體或下貝氏體+回火馬氏體的混合組織，以得到高強度和良好的韌性。

此類鋼的生產(chǎn)成本較低、用途廣泛，典型牌號有30CrMnSiNi2A、32Si2Mn2MoVA、45CrNiMo1VA(D6AC)等，主要用于制造飛機結(jié)構(gòu)件，如主起落架的支柱、輪叉、機翼主梁；固體火箭發(fā)動機殼體、炮筒、高壓氣瓶和高強度螺栓等。

(2)二次硬化型超高強度鋼系指通過淬火+高溫回火后，析出特殊合金碳化物而達到彌散強化(二次硬化)效果的超高強度鋼。主要包括Cr－Mo－V型中碳中合金馬氏體熱作模具鋼、高韌性9Ni－4Co型和10Ni－14Co型高韌性超高強度鋼。

①H型(Cr－Mo－V型)中合金超高強度鋼是從wCr≈5％的工模具鋼移植而來，由于它在高溫回火下有很高的強度和較滿意的塑、韌性，抗熱性好，組織穩(wěn)定。用于飛機起落架和骨架零件、炮彈和火箭殼體、高應力螺桿、彈簧以及高速轉(zhuǎn)子和軸等。

典型牌號有4Cr5MoSiV(H11)和4Cr5MoSiV1(H13)，主要用于熱擠壓模具和制造飛機、發(fā)動機承受中溫強度的零部件、緊固件等。4Cr5MoSiV是最早生產(chǎn)和使用的鋼號，淬透性很高，一般零件經(jīng)1100℃奧氏體化后，在空冷條件下即可獲得馬氏體組織；經(jīng)500℃左右回火，析出碳化物Cr7C3和(Mo，Cr)3C，發(fā)生二次硬化效應。鋼的抗拉強度可達1960N/mm2，具有較高的中溫強度，在400～500℃范圍內(nèi)使用，鋼的瞬時抗拉強度仍可保持1300～1500N/mm2，屈服強度約為1100～1200N/mm2。主要用于熱作模具。4Cr5MoSiV1鋼是在4Cr5MoSiV的基礎上提高了C和V的質(zhì)量分數(shù)而發(fā)展起來的。隨V質(zhì)量分數(shù)的增加，使鋼中VC的數(shù)量增加，提高了耐磨性，其他性能與4Cr5MoSiV鋼相似。

斷裂韌度低是此類鋼的主要缺點，因此當用于制造屈服強度大于1380N/mm2的結(jié)構(gòu)件時，應特別注意避免表面有尖角或小裂口存在，如電鍍時應防止氫脆產(chǎn)生。

②9Ni—4Co型(Ni—Co—Cr—Mo型)超高強度鋼鋼中wNi≈9％，wCo≈4％，并含有Cr、Mo、V等合金元素。增加鋼的碳質(zhì)量分數(shù)，可提高鋼的強度，但韌性降低。按碳質(zhì)量分數(shù)的不同，又可分為0.20％、0.25％、0.30％和0.45％四種鋼，常用的是9Ni－4Co－20鋼和9Ni－4Co－30鋼。經(jīng)820～850℃奧氏體化后，在空冷條件下可形成低碳馬氏體組織，經(jīng)500℃左右回火產(chǎn)生二次硬化效應，獲得較高強度和較高韌性。

30Ni9Co4CrMoA鋼經(jīng)淬火后于550℃回火，其抗拉強度為1520～1650N/mm2，斷裂韌度KIC可達100N·mm-2·m1/2以上。30Ni9Co4CrMoA和20Ni9Co4CrMoA鋼的焊接性好，具有良好的熱穩(wěn)定性，適于370℃以下長期使用。

③10Ni－14Co型超高強度鋼其典型鋼號是16Ni10Co14Cr2Mo1(AF1410)鋼，Ni在鋼中的作用主要是穩(wěn)定奧氏體。從奧氏體狀態(tài)冷至Ms點溫度均不發(fā)生相變，即使原截面零件在緩慢的冷速下也只形成單相馬氏體組織，因而沒有淬透性不足的問題。Co的作用主要是升高Ms點溫度和降低Mo在馬氏體中的固溶度，增強Mo的強化效應，在回火過程中能抑制和延緩特殊合金碳化物的析出，阻止析出相的集聚長大。Mo是主要二次硬化元素，Mo質(zhì)量分數(shù)增加，則二次硬化峰值提高。Cr與Mo共存時，有利于提高韌性。這是可焊接的高合金二次硬化型超高強度鋼，加熱至830℃奧氏體化后，在空冷條件下形成高位錯密度板條馬氏體，經(jīng)510℃時效析出細小彌散分布的合金碳化物M2C取代Fe3C，從而獲得高強度、高韌性。其抗拉強度達1620N/mm2以上、斷裂韌度KIC大于143N·mm-2·ml/2，抗應力腐蝕性能好，應力腐蝕開裂臨界斷裂因子KISCC值高達84N·mm-2·m1/2，比一般超高強度鋼高3倍以上，常用于制造飛機重要受力構(gòu)件，如海軍飛機著陸鉤等。

16Ni10Co14Cr2Mo1鋼為超純凈和超細晶粒度鋼，實際晶粒度大于10級。由于鋼的純凈度對其斷裂韌度KIC和應力腐蝕性能具有明顯影響，鋼中除S、P質(zhì)量分數(shù)極低外，還要求wO<0.002％(20×10-6)、wN<0.0015％(15×10-6)。因此對冶煉和鍛造工藝都有特殊要求。一般采用真空感應爐熔鑄電極再經(jīng)真空自耗重熔。其熱變形加工性能很好，鍛造開坯溫度980℃～1175℃，為控制晶粒長大，最終成品鍛造溫度應不超過980℃。

(3)馬氏體時效鋼即18Ni超低碳馬氏體時效鋼。它是鐵－鎳基超低碳高合金超高強度鋼通過馬氏體相變和時效析出金屬間化合物而達到強化效果的超高強度鋼。

馬氏體時效鋼具有強度高、屈強比高、熱處理工藝簡單和斷裂韌度高等優(yōu)點。在固溶狀態(tài)下，鋼的屈服強度約為800～900N/mm2，斷后伸長率約為20％，斷面收縮率為70％～80％，具有良好的冷塑性變形性能，適用于深沖零件。對冷作件可直接時效處理，進一步提高其強度。其熱處理過程中零件變形小，常用于制造高精度工模具，在固溶狀態(tài)下焊接性好；焊絲成分應大致與基體相似。采用氬氣保護焊接工藝，焊前不需預熱，焊后通過時效處理提高焊縫接頭強度，焊接強度系數(shù)可達95％以上。適用于制造固體火箭發(fā)動機殼體，高壓氣瓶等。

18Ni馬氏體時效鋼經(jīng)820℃固溶處理后可在很寬的溫度范圍內(nèi)進行時效處理。時效過程中析出Ni3Mo、Ni3Ti等金屬化合物，提高了鋼的強韌性，Co在鋼中不形成化合物，不直接產(chǎn)生時效強化作用。必須有Mo的存在，才能充分發(fā)揮Co的強韌化作用。Co可降低Mo在基體中的溶解度，增加Mo的過飽和度，在時效過程中產(chǎn)生細小的金屬間化合物Ni3Mo和Fe2Mo，彌散而均勻分布在馬氏體位錯和邊界上。Co和Mo的配合，不僅能提高鋼的強度，而且還改善鋼的韌性。另外Ti、A1均為強化元素，形成強化相Ni3A1、Ni3Ti等。鋼中C、S、P、Si、Mn等均屬有害元素。若碳質(zhì)量分數(shù)高，當加熱至900～1100℃時在奧氏體晶界形成TiC薄膜，使鋼變脆。該鋼大多采用真空冶煉工藝，以降低鋼中氣體和非金屬夾雜物質(zhì)量分數(shù)，提高鋼的純凈度，有效改善鋼的韌性。

(4)超高強度不銹鋼它是在不銹鋼基礎上發(fā)展起來的，具有較高的強度和耐蝕性。依據(jù)其組織和強化機制的不同，也可分為馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時效不銹鋼等。由于其Cr、Ni合金元素質(zhì)量分數(shù)較高，故其價格也很昂貴，通常用于對強度和耐蝕性都有很高要求的零件。