高强度不锈钢.docx

1、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

2、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

3、。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

4、 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0.2 MPab MPa5%aKUJ

5、cm -20Cr17Ni4Cu4Nb1020 1060 固溶处理后，430 时效1200134010401Cr17Ni7Al1000 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105012504100Cr15Ni7Mo2Al123013506201Cr12Mn5Ni4Mo3Al1050 水冷或空冷 -73 冷 处理 8h520 时效 2h1300155094050表10-28 17-4PH 钢的力学性能固溶处理热处理工艺b MPa0.2 MPa5%HRC1040 水冷10307551245HB3631040 水冷480 时效

6、 4h 空冷137512751450441040 水冷495 时效 4h 空冷130512051454421040 水冷550 时效 4h 空冷116511401556381040 水冷580 时效 4h 空冷114010301658361040 水冷620 时效 4h 空冷10008651960332.4.2 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

7、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 Ni 3Mo 、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

8、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0.2MPabMPa5% %a KUJ cm -2KICMPa m 1/200Ni18Co8Mo5TiA815 固溶处理后 480 时效 3h1750185074050155 198815 固溶处理 1h ，空冷，480 时效 3h 空冷17901900794070 90110 11800Gr5Ni12Mo3

9、TiA815 固溶处理 1h ，空冷，480 时效 3h ，空冷14001638 4550 6000Ni20Ti2AlNb815 固溶 1h ，冷轧 50% ，480 时效 1h175018001145815 固溶 1h ，冷轧 50% ，480 时效 3h185019001257续表钢号热处理0.2 MPab MPa5 % %aKU-2JcmK1CMPa m1/200Ni25Ti2AlNb815 固溶 1h ，705 时效 4h ， 冷处理后再 435 时效 1h180019001253815 固溶 1h ，冷轧 60% ，冷处 理后再于 435 时效 1h1900200013581.18N

10、i 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 (Ni 3Mo 与 Ni 3Ti) 来强化。近年来，为了节约镍和钴，已在发展18Ni 马氏体时效

11、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

12、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， 奥氏体时效处理 ; 对残余奥氏体在 705 左 右进行时

13、效处理，使残余奥氏体中析出一部分 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。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、

14、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 Cr7 C3，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

15、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

16、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 m 1/2 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）16Ni10Co 14Cr2Mo 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

17、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

18、，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 （K ISSC ）高达84MPa m 1/2 。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 34 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

19、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 （Precip

20、itation Hardening） 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。

21、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

22、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

23、） ，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 （M s） 。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

24、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

25、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

26、（ 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 25%） 组织 （虽比普通马氏体不锈钢易于加

27、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

28、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 （ 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

29、敏感性， 马 氏体时效不锈钢，一般地说，因无铁素体 （ 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 （K ISCC ）来衡量具有宏观裂纹的材 料在应力腐蚀条件下的破断韧

30、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