高强度不锈钢.docx
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高强度不锈钢
高合金超高强度钢
这类钢主要是从不锈钢发展起来的，合金元素总含量较高，一般在20%以上。
分两种
类型：
沉淀硬化不锈钢和马氏体时效钢。
2.4.1沉淀硬化不锈钢
这类钢是在18-8型铬镍不锈钢和Cr13型马氏体不锈钢的基础上发展起来的马氏体超高强度钢和奥氏体一马氏体型沉淀硬化超高强度钢。
钢的含碳量较低，而合金元素含量较高，一般为22%～25%。
钢在热处理过程中，通过400～500℃时效处理而产生沉淀强化，获得弥散析出的碳化物及金属间化合物，同时仍保持不锈钢良好的耐蚀性和抗氧化性，具有优良的焊接性能和压力加工性能。
这类材料对冶金质量要求严格，化学成分对性能影响很敏感。
主要用于飞机中薄件结构，承受中温载荷的构件，燃烧箱等，也可用于制造不锈弹簧、高压容器或火箭发动机外壳等。
1.半奥氏体型沉淀硬化不锈钢
这类钢又称奥氏体—马氏体沉淀硬化不锈钢，钢的Ms点较低。
1Cr17Ni7Al（相当于国外的17-7PH钢）是典型的钢种，这类钢在高温固溶处理后冷却到室温时为奥氏体，有较好的塑性，适于加工成型。
经过调整处理和冷处理，或经过冷加工变形，可转变为马氏体组织，获得较高的强度和耐蚀性。
它经510℃左右的时效处理，析出弥散分布的碳化物和Ni3Al等金属间化合物而提高强度。
由于钢中含铬量大于12%，而抗大气腐蚀性良好。
1Cr12Mn5Ni4Mo3Al钢，是我国研制的一种节镍型的半奥氏体型沉淀硬化不锈钢，和同类的0Cr15Ni17Mo2Al相比，增加了钼代替部分铬，提高了中温强度。
通过增加锰代替部分镍，经济性较好，效果亦较好。
钢的机加工性能较好，冷成型性、焊接性和耐蚀性均较好。
这类钢的缺点是热处理工艺较为复杂，冶炼时钢的化学成分要求较高。
表10-27为
沉淀硬化超高强度钢的室温力学性能。
2.马氏体型沉淀硬化不锈钢
这类钢最早是从Cr13型马氏体不锈钢的基础上加入部分强化元素，使之能形成一系列金属间化合物而发展起来的沉淀硬化超高强度不锈钢。
常用的有0Cr17Ni4Cu4Nb钢（相当于17-4PH），主要通过马氏体转变产生强化作用外，并经时效析出弥散强化相来进一步发挥强化作用。
17-4PH钢固溶处理后得到低碳马氏体，硬度HB340左右，经480℃时效后HB420。
为了改善切削加工性能，约在620℃左右过时效处理，得到最大的软化，此时HB300左右。
这种钢可焊性好，耐蚀性和高温抗氧化性能良好，对氢脆不敏感。
由于合金含量高，价格较高。
目前主要应用在火箭和导弹上作为蒙皮材料。
17-4PH钢不同工艺处理后的力学性能见表10-28。
表10-27沉淀硬化超高强度不锈钢的室温力学性能
钢号
热处理
σ0.2MPa
σbMPa
δ5%
ψ%
aKU
J·cm-2
0Cr17Ni4Cu4Nb
1020～1060℃固溶处理后，
430℃时效
≥1200
≥1340
≥10
≥40
—
1Cr17Ni7Al
1000～1100℃固溶处理后，
955℃保持10min空冷，
-73℃冷处理8h，再加热到
510℃保温1h后空冷
≥1050
≥1250
≥4
≥10
0Cr15Ni7Mo2Al
≥1230
≥1350
≥6
≥20
1Cr12Mn5Ni4Mo3Al
1050℃水冷或空冷-73℃冷处理8h
520℃时效2h
≥1300
≥1550
≥9
≥40
≥50
表10-2817-4PH钢的力学性能
固溶处理
热处理工艺
σbMPa
σ0.2MPa
δ5%
ψ%
HRC
1040℃水冷
1030
755
12
45
HB363
1040℃水冷
480℃时效4h空冷
1375
1275
14
50
44
1040℃水冷
495℃时效4h空冷
1305
1205
14
54
42
1040℃水冷
550℃时效4h空冷
1165
1140
15
56
38
1040℃水冷
580℃时效4h空冷
1140
1030
16
58
36
1040℃水冷
620℃时效4h空冷
1000
865
19
60
33
2.4.2马氏体时效钢
马氏体时效钢是通过极低碳马氏体时效析出而达到强化的钢，冶金上与低合金马氏体钢、PH不锈钢等不同。
在极低碳的条件下，淬透性低，难以产生马氏体转变，因此在钢中加入大量的镍（容易导致马氏体转变的合金元素），以铁镍合金为基础，添加钼、钴、钛、铝、铌等造成沉淀强化的钢种。
钢经固溶处理并空冷后，其组织为微碳、具有高韧性和高位错密度的板条状马氏体，在中温400～500℃进行时效处理后，使有共格的金属间化合物相如Ni3Mo、Ni3Ti′、（FeNiCo）2Mo等析出，使钢获得高的强度和韧性。
硫含量对这类钢的影响较大，特别是力学性能，一般要求在0.03%以下。
由于钢中含有大量碳化物形成元素，如碳含量稍高，便容易与之形成脆性的碳化物并沿晶界析出，降低钢的韧性，故生产时要严格控制。
这种钢的基本特点是具有高的屈服强度和断裂韧性，同时也有良好的工艺性能。
由于合金含量高，价格昂贵，主要用于要求比强度高、可靠性高、尺寸控制精确的承力构件，如飞机和火箭的结构件，发动机壳体，也可用做冷挤和冷冲模具。
马氏体时效钢是一种以铁、镍为基础的高合金钢，按其含镍量的不同分为18%Ni、20%Ni和25%Ni三种类型。
马氏体时效钢的室温力学性能见表10-29。
表10-29马氏体时效钢的室温力学性能
钢号
热处理
σ0.2
M
Pa
σb
M
Pa
δ5
ψ
%%
aKU
J·cm-2
KIC
MPa·m1/2
00Ni18Co8Mo5TiA
815℃固溶处理后480℃时效3h
≥1750
≥1850
≥7
≥40
≥50
155～198
815℃固溶处理1h，空冷，
480℃时效3h空冷
1790
1900
7～9
40
70～90
110～118
00Gr5Ni12Mo3TiA
815℃固溶处理1h，空冷，
480℃时效3h，空冷
—
1400
16
38～45
50～60
—
00Ni20Ti2AlNb
815℃固溶1h，冷轧50%，
480℃时效1h
1750
1800
11
45
—
—
815℃固溶1h，冷轧50%，
480℃时效3h
1850
1900
12
57
—
—
续表
钢号
热处理
σ0.2MPa
σbMPa
δ5%
ψ%
aKU
-2
J·cm
K1C
MPa·m
1/2
00Ni25Ti2AlNb
815℃固溶1h，705℃时效4h，冷处理后再435℃时效1h
1800
1900
12
53
—
—
815℃固溶1h，冷轧60%，冷处理后再于435℃时效1h
1900
2000
13
58
—
—
1.18Ni类型马氏体时效钢
马氏体时效钢类主要被推荐使用的是18Ni系，这类钢含有18%镍、8%钴、5%钼和0.5%钛是作为主要析出元素而添加的。
同时0.1%的铝亦有一定的强化作用，但只是为了脱氧而添加的。
这类钢尤其希望尽可能降低碳、硅、锰、磷、硫等杂质元素。
含碳极低使Fe-18%Ni系合金的马氏体转变能力明显地高，这种马氏体组织为位错的板条状马氏体，这时塑性和韧性显著提高，加工硬化率很小，因而冷加工较易进行。
当在500℃左右时效析出合格的金属间化合物相（Ni3Mo与Ni3Ti）来强化。
近年来，为了节约镍和钴，已在发展
18Ni马氏体时效钢的优点是：
淬透性好;有高的强度和良好的韧性配合;比强度和屈服强度都很高;加热时无脱碳现象，不易变形;焊接性能良好，焊后可以不做高温处理;切削加工性和成型性良好;抗应力腐蚀性能良好。
目前这种钢正被用于宇航工业、压力容器，也可用做冷挤、压铸和其他模具，有较高的使用寿命。
2.20Ni类型马氏体时效钢
典型的20%Ni马氏体时效钢是00Ni20Ti2AlNb钢，与18Ni钢相比，不含钴和钼，增加了铌，总的合金含量较低。
在18Ni钢中，起时效强化作用的合金元素是钛、铝、钴、钼，而在20Ni钢中是钛、铝、铌起时效强化作用，该钢由于含合金元素稍低，故价格较便宜。
其热处理工艺、特性和用途与18Ni钢基本相同，但性能比18Ni钢差些。
3.25Ni类型马氏体时效钢
25%Ni马氏体时效钢的常用钢种是00Ni25Ti2AlNb，该钢的时效强化元素是钛、铝、铌。
18Ni和20Ni马氏体时效钢在固溶处理状态下是马氏体，而25Ni马氏体时效钢由于含镍量高，所以固溶处理后的组织是马氏体和大量残余奥氏体，其硬度很低，为HV160～230，适用于制造加工深冲零件、冷拔管等。
为了促使残余奥氏体全部转变成马氏体，其热处理工艺就较为复杂一些。
一般采用方法有，①奥氏体时效处理;对残余奥氏体在705℃左右进行时效处理，使残余奥氏体中析出一部分γ相′（Ni、Fe）3（Ti、Al），使残余奥氏体中合
金元素减少，从而提高Ms点，冷却时可发生马氏体相变，然后再低温处理，容易生成孪晶型马氏体。
②采用冷加工变形方法;即在固溶处理后进行25%以上的冷变形，促使Ms点升高，然后进行冷处理，使残余奥氏体全部转变成马氏体。
通过上述方法得到的马氏体组织，再在425～485℃进行1～4小时时效，就可以达到进一步的强化作用。
25Ni马氏
体时效钢的强化相为（Ni、Fe）3（Ti、Al）。
25Ni马氏体时效钢强度较18Ni高，但韧性偏低。
一般应用在宇航工业结构件、套筒、弹簧及工具上。
二次硬化超高强度钢
经过加热淬火后在480～550℃温度范围回火时，析出合金碳化物产生弥散强化效应，其屈服强度大于1380MPa的超高强度钢。
主要包括中合金热作模具钢和高合金高断裂韧性超高强度钢。
中合金热作模具钢最早生产和使用的钢种有4Cr5MoVSi（H-11）钢，含5%铬，1.3%钼和0.5%钒。
具有淬透性高的特点，一般结构件经1100℃奥氏体化后，在空气冷却条件下即可获得完全马氏体组织。
经500～600℃回火析出（Mo，Cr）2C和Cr7C3，产生二次硬化效应。
抗拉强度可达1960MPa。
在400～500℃范围内使用，其瞬时抗拉强度仍保持在1300MPa以上。
4Cr5MV1Si（H-13）钢是在4Cr5MoVSi钢的基础上，提高钼和钒的含量
而发展起来的。
钒含量增加，使钢中VC增多，耐磨性提高。
该类钢的缺点是断裂韧性低，缺口敏感性较大。
高合金高断裂韧性超高强度钢这类钢典型牌号有：
（1）9Ni-4Co型超高强度钢主要成分是含镍9%，钴4%左右。
其他合金元素有铬、钼和钒。
钢中碳是主要强化元素。
按照含碳量的不同，通常生产有4种钢，即：
20Ni9Co4CrMoVA、25Ni9Co4CrMoVA、30Ni9Co4CrMoVA和45Ni9Co4CrMoVA随含碳量增加，钢的强度提高，而韧性相应下降。
采用840℃奥氏体化后，在空冷条件下可形成低碳马氏体组织。
经500℃左右回火产生二次硬化效应，获得较高的强度和足够的韧性。
30Ni9CO4CrMoVA钢经淬火后550℃回火，屈服强度可达1450MPa，断裂韧度可达到100MPa·m1/2以上。
可焊性好，并具有良好的热稳定性。
可适用于370℃以下长期使用。
（2）16Ni10Co14Cr2Mo钢（AF1410）在HY180钢的基础上提高碳和钴的含量而发展起来的一种可焊性好的高合金二次硬化型超高强度钢。
主要含镍10%、钴14%、铬2%和钼1%等元素。
加入镍的主要作用是稳定奥氏体组织，当淬火时在极缓慢的冷却速度下产生单相马氏体，提高钢的淬透性。
并降低钢的脆性转变温度。
钴的作用是提高马氏体开始转变温度（Ms点），降低钼在马氏体中的固溶度，增强钼的强化效应。
并且在回火过程中能够仰制M2C的集聚和长大。
钼是主要二次硬化元素，铬与钼共存形成（Mo，Cr）2C，有利于
提高韧性。
通常多采用真空感应炉和真空自耗炉两次真空冶炼工艺。
钢中氧小于20×10-6，
氮小于15×10-6。
含硫量一般在0.001%～0.002%。
高纯洁度是保证高断裂韧度的关键。
高温热加工变形性能好，经锻、轧加工可获得8～10级细晶粒度。
热处理采用860℃油淬，
510℃回火5h。
由于时效析出弥散合金碳化物M2C，获得高强度和高断裂韧度。
抗张强度
为1700MPa，断裂韧度可达到175MN·m-3/2。
抗应力腐蚀性能好，在3.5%NaCl水溶液介质中，其应力腐蚀界限强度因子（KISSC）高达84MPa·m1/2。
与一般超高强度钢相比，在等强度条件下，其断裂韧度提高1倍以上。
抗应力腐蚀能力提高3～4倍。
可用于制造飞机重要受力结构件。
沉淀硬化型不锈钢
自40年代以来，首先为适应迅速进步的航空、航天工业的需要，发展了沉淀硬化不锈钢。
其化学成分一般不超过18-8铬镍奥氏体不锈钢的铬、镍含量，碳含量低，添加有少量形成析出硬化相的所谓硬化元素，如铝、钛、铌、铜和钼等。
在最终形成马氏体后，经时效
处理，析出金属间化合物（如Ni3Al、Ni3Ti等）和某些少量碳化物以产生沉淀硬化。
它比
普通马氏体不锈钢具有更高的强度，更好的可焊性、韧性、冷加工成形性和耐蚀性等。
主要有马氏体型沉淀硬化不锈钢和半奥氏体（奥氏体-马氏体）型沉淀硬化不锈钢。
前者以GB0Cr17Ni4Cu4Nb（相当美国阿姆公司商业代号17-4PH）钢，后者以GB0Cr17Ni7Al
（相当17-7PH）及0Cr15Ni7Mo2Al（相当PH15—7Mo）钢为代表。
简称PH（PrecipitationHardening）不锈钢。
60年代初，国际镍公司利用超低碳马氏体进行沉淀硬化，研制了一种高强度、高韧性的Fe-Ni系马氏体时效钢。
为改善耐蚀性能，随后发展了含铬的马氏体时效不锈钢。
它利用马氏体相变、超低碳马氏体和金属间化合物相的时效硬化等相结合的方法，获得优良的综合
性能，成为正在发展中的新一代高强度不锈钢。
它具有马氏体时效钢的全部优点和比沉淀
硬化不锈钢更优越的性能。
我国从60年代初开始，逐渐发展了奥氏体型、半奥氏体型、马氏体型沉淀硬化不锈钢和马氏体时效不锈钢。
1.半奥氏体沉淀硬化不锈钢
半奥氏体型PH不锈钢，是以奥氏体状态供货。
奥氏体因属面心立方晶格结构，塑性好，具有易于各类加工等优良的工艺性能。
此类钢在交货前，需进行固溶处理（简称A处理，一
般在1000～1050℃，空冷）。
经A处理后的状态（简称A态），其金相组织基本为奥氏体，尚含约5～20%的铁素体。
但不稳定。
为保证获得上述室温不稳定的奥氏体组织，最关键的
是必须严格控制好化学成分，并通过正确的热处理方法控制马氏体相变温度区，使钢在成型和制造容器部件的过程中处于奥氏体状态，从而具有奥氏体不锈钢容易冷加工成形和焊接
等优良的工艺性能。
然后，需经特殊的中间处理，使奥氏体转变为低碳马氏体基体，并进
一步通过时效处理进行沉淀硬化达到更高的强度。
鉴于此类钢的热处理工艺制度是不锈钢中最复杂的一种，要求也十分严格。
应切实执行有关规定，才能得到标准性能。
但也可根据设计人员和用户的不同要求和具体制造使用情
况，在相当宽的温度和时间范围内进行各种选择，制定特殊的热处理工艺制度。
这里以其
代表钢种为例，仅简化介绍几种基本的热处理方法。
半奥氏体PH不锈钢经固溶处理后（A态），其强度很低。
因此，首先必须使奥氏体转变为马氏体。
完成这一相变硬化过程，可采取三种途径。
A调节处理（简称T处理）
经A处理后的奥氏体，在随后的加热过程中，会析出富铬碳化物，使奥氏体中实际成分
发生变化（如铬、碳、氮等含量下降），稳定性降低，冷却时更容易转变为马氏体。
即影响（提高）了马氏体转变温度（Ms）。
换言之，通过选择合适的温度和保温一定的时间，可以控制
Ms点高于室温至某一温度。
如此类PH钢一般在700～800℃作为奥氏体调节温度，冷却至室温后，主要组织为低碳马氏体（其Ms点约在65～93℃，马氏体转变终了温度Mf点约为16℃）[6]。
B冷处理（简称R处理）
经A处理后的钢也可以采用冷处理方法使奥氏体转变为马氏体。
最简单的办法是深冷处理。
如此类PH钢A态直接置于-150℃左右（已低于Mf点）。
但这在工艺上难以实现（一般易获得的冷处理温度为-78℃）。
因此，通常先经过高温调节处理（约950℃左右），只析出少量碳化物（其Ms点约在室温，Mf点约为-73℃）。
而后再经-78℃冷处理，可获得相对T处理含碳较高的马氏体组织。
综上所述，T处理和R处理，一般均包括了奥氏体成分调整的处理和随后的马氏体相
变处理两个步骤。
T和R处理后的状态依次称为T和R状态。
C冷变形处理（简称C处理）
经A处理后的奥氏体，只要成分控制或调整得恰当，在室温下进行塑性变形或冷加工
（变形），也可诱发马氏体相变。
为获得必要数量的马氏体，冷轧时宜高于60%的变形量。
最后热处理是时效处理（简称H处理）。
通过各种途径获得的过饱和低碳马氏体基体，
需经H处理产生沉淀硬化。
其温度范围一般在450～650℃左右。
当金属间化合物微细的析出相即将析出（即孕育期的最后阶段）时，获得最高强化作用。
若延长时效时间（或提高H处理的温度）会造成过时效，反而使强度有所降低。
但常对耐蚀性有利。
如同最高强度状态比较，一般PH不锈钢的断裂韧性和抗应力腐蚀性能均有提高[8]。
此类钢的时效比简单的沉淀硬化机理复杂的多，尤其是在565℃过时效时，同时发生的还有马氏体基体的回火和部分逆转变为奥氏体等。
时效过程的沉淀硬化，还可采取分级时效，一般采用多级时效（简称MH处理）达到更佳效果。
此类钢常用的热处理工艺制度代表符号有TH、RH、CH等处
理。
H后的数字按外来习惯指时效处理的华氏温度。
例如，常见TH1050表示A处理后，再
经T处理和565℃（华氏1050℉）H处理的一种标准热处理制度，其处理后的状态称为TH1050状态。
2.马氏体沉淀硬化不锈钢
马氏体PH不锈钢通常以马氏体状态供货（有的含低于10%的铁素体）。
以其代表钢种0Cr17Ni4Cu4Nb为例，其化学成分保证了经固溶（A）处理后空冷至室温时为低碳马氏体（含铁素体小于2～5%）组织（虽比普通马氏体不锈钢易于加工，但不如半奥氏体PH不锈
钢，较难进行深度冷成型）。
再经时效（H）处理产生沉淀硬化。
与半奥氏体PH不锈钢相比其强化机理相同，但热处理工艺简单。
通过改变H处理温度，可在相当宽的范围内调整机械性能。
其耐蚀性常可接近18-8奥氏体不锈钢，比普通马氏体不锈钢优越。
其焊接性能较好，不需焊前预热，但对缺口敏感性大。
当温度高于425℃时，其强度显著下降。
3.马氏体时效不锈钢马氏体时效不锈钢通常以马氏体状态供货。
其主要特点是含碳量很低，一般不大于
0.03%C，甚至达到高纯化。
经固溶处理后，冷至室温获得体心立方晶格结构的马氏体（不同于碳钢中常见的那种因碳过饱和引起的畸变体心正方结构）。
超低碳马氏体具有优良的塑
性、韧性和冷加工成形性（冷变形量可达80%以上）。
而后通过时效处理析出金属间化合物达到高强度。
此类钢中镍含量对组织和强度均有影响。
它与某些硬化元素形成沉淀硬化相，还可固溶强化马氏体。
镍属于形成并稳定奥氏体的元素，可减少铁素体（δ相）。
同时，它又强烈降低马氏体转变温度（一般希望Mf点在室温以上），故而镍含量受到限制，一般约含4～8%Ni。
含铬量一般低于15%，达不到高铬不锈钢的水平，但比Cr13型马氏体不锈钢耐蚀性要好些。
众所周知，沉淀硬化处理往往带来耐蚀性有所下降和增加氢脆的敏感性，马氏
体时效不锈钢，一般地说，因无铁素体（δ相）和碳化物的析出等原因，虽在某些环境介质
条件下对应力腐蚀敏感，但比普通马氏体不锈钢和PH不锈钢性能优越得多。
此类钢的纯度（控制有害杂质元素如C、P、Si、N、S等的含量）及其热处理对断裂韧性和应力腐蚀等性能有重要影响。
由于此类钢是航空航天工业重要材料，不仅要求高强度和高的屈强比，而且对其构件长期储运和使用的安全可靠性要求很高。
60年代中期以来，在应力腐蚀领域，引入了断裂力学理论，采用应力腐蚀开裂门槛应力强度因子（KISCC）来衡量具有宏观裂纹的材料
在应力腐蚀条件下的破断韧性值。
积极开展了其硬化机理、断裂韧性和应力腐蚀裂纹等之
间关系的研究。
马氏体时效不锈钢可按铁铬镍和铁铬（镍）钴系分，也可按强度级别分，如
新型超高强度马氏体时效不锈钢等。
总之，马氏体时效不锈钢因具有优良的机械性能和工
艺（包括焊接）性能，并兼有一定的耐蚀性等，已成为析出硬化型不锈钢的主要发展方向。
综上所述，包括马氏体型不锈钢、半奥氏体型和马氏体型PH不锈钢以及马氏体时效不锈钢，其共同特点是着眼于强度和硬度，适用于超过奥氏体型和铁素体型不锈钢强度要求并兼有一定耐蚀性的用途。
关于沉淀硬化不锈钢的分类，目前比较混乱。
归纳起来大体有几种意见：
（1）我国1964年出版的《合金钢手册》将马氏体型不锈钢按化学成分划分为铬和铬镍钢两类。
其中马氏体铬镍不锈钢中，又按热处理强化机理之不同分为淬火马氏体（如1Cr17Ni2）不锈钢和沉淀硬化不锈钢两类。
换句话说，是将沉淀硬化不锈钢归入马氏体不锈钢这一大类型。
但因PH不锈钢有其特殊性，强化机理同普通马氏体不锈钢有明显区别，我国GB标准和日本JIS标准等均将其独立分列为一个类型。
（2）60年代以来，马氏体时效
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