超高強度鋼現(xiàn)在已發(fā)展成為應(yīng)用范圍很廣的一類重要鋼種，如已經(jīng)大量應(yīng)用于火箭發(fā)動機外殼、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域。  
    綜合媒體8月28日報道，隨著潔凈化、微合金和控軋控冷等先進冶金技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的逐步推廣和應(yīng)用，鋼材的品質(zhì)得到了大幅度提高，發(fā)達國家正在研制相當于目前常用鋼材抗拉強度數(shù)倍的超高強度鋼。這種鋼具有超細化、超潔凈、超均質(zhì)的組織和成分的特征，以及超高強度和超高韌性的特點。超高強度鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼的強度的界限目前尚無統(tǒng)一規(guī)定，習慣上是將室溫抗拉強度超過1,400MPa、屈服強度大于1,200MPa 的鋼稱為超高強度鋼。超高強度鋼除了要求其高的抗拉強度外，還要求具有一定塑性和韌性、盡可能小的缺口敏感性、高的疲勞強度、一定的抗蝕性、良好的工藝性能、符合資源情況及價格低廉等。超高強度鋼現(xiàn)在已發(fā)展成為應(yīng)用范圍很廣的一類重要鋼種，如已經(jīng)大量應(yīng)用于火箭發(fā)動機外殼、飛機起落架、防彈鋼板等性能有特殊要求的領(lǐng)域，而且其使用范圍正在不斷地擴大到建筑、機械制造、車輛和其它軍事裝備上。因此，超高強度鋼不僅是鋼鐵材料研究的重要方向，而且具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。   
    超高強度鋼的發(fā)展  
    超高強度合金鋼是為滿足某些特殊要求發(fā)展起來的，按其物理冶金學特點，超高強度鋼大體可以分為低合金超高強度鋼、二次硬化超高強度鋼和馬氏體時效鋼。典型的低合金超高強度鋼是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高強度鋼是HY180 和AF1410，由于馬氏體時效鋼屬高合金鋼，在這里將不擬述及。 
    1.低合金超高強度鋼  
    低合金超高強度鋼大多是AISI 4130、4140、4330 或4340的改進型鋼種。AISI 4340 是最早出現(xiàn)的低合金超高強度鋼，它于1950年開始研究，并于1955年開始用于飛機起落架。通過淬火和低溫回火處理，AISI 4130、4140、4330 或4340鋼的抗拉強度均可超過1,500MPa，而且缺口沖擊韌性較高。   
    為了抑制低合金超高強度鋼回火脆性，1952年美國國際鎳公司開發(fā)了300M。該鋼通過添加了1％至2％的硅來提高回火溫度（260至315攝氏度），并可抑制馬氏體回火脆性。另外，通過調(diào)整碳含量和添加少量釩，又開發(fā)了AMS 6434 和LadishD6AC鋼。20世紀80年代，中國通過對AISI 4330的改進，研制開發(fā)了高強韌性能的685和686裝甲鋼。在AISI 4340 的基礎(chǔ)上，中國還研制了新型超高硬度695裝甲鋼，其抗穿甲彈防護系數(shù)達到1.3以上。值得注意的是，盡管以4340和300M 鋼為代表的低合金超高強度鋼具有高強度，但它們的斷裂韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力都比較差，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。   
    2.二次硬化超高強度鋼 
    隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，開發(fā)強度高、斷裂韌性好、可焊接性好的新型航空材料成為發(fā)展方向。研究者于20 世紀70 年代開發(fā)了HY180鋼。為了達到航空構(gòu)件材料的損傷容限和耐久性，70 年代末Speich 和Chendhok 等在對Fe10Ni 系合金鋼進行的研究基礎(chǔ)上，對HYl80 進行了改進，開發(fā)了AF1410超高強度合金鋼，該鋼經(jīng)830℃油淬正510℃時效后，σ0.2大于等于1517MPa，KⅠc大于等于154MPa m1/2。因此該鋼以極高的強韌性、良好的加工性能和焊接性能成為受航空界歡迎的一種新型高強度鋼。  
    在保持AF 1410 超高強度合金鋼良好韌性的基礎(chǔ)上，為進一步提高其強度及在海水環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂性能和降低韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，1991 年Hemphill 等開發(fā)了Aermet100 超高強度合金鋼。該鋼與AF 1410 鋼相比，強度有了進一步提高（屈服強度提高到2000 MPa），但韌性稍有下降（斷裂韌性為115MPa m1/2）。 
    中國近年來一直在二次硬化鋼上尋求突破，現(xiàn)在已經(jīng)成功地研制出具有中國特色的G99 和G50 新型超高強度鋼。G50 是一種經(jīng)濟型無鈷低合金超高強度鋼，是中國自行研制的用于航天的專利鋼種，其主要特點是成本低、高強高韌。  
    中國超高強度鋼的研究進展
    1.低合金超高強度鋼 
    中國低合金超高強度鋼的研究開始于20 世紀50 年代，一是仿制國外已有的牌號，五六十年代主要以仿制前蘇聯(lián)的鋼種為主，如30CrMnSiNi2A，70 年代開始以仿制美國的鋼種為主，如4340、300M、D6AC 等。二是根據(jù)中國的資源情況和工程的需要，自主開發(fā)研制了具有中國特點的低合金超高強度鋼，如406 鋼等。
    中國成功仿制了一系列國外鋼種，在許多重大工程中發(fā)揮了很大作用。最早研制的30CrMnSiNi2A 是仿制前蘇聯(lián)30XГCH2A 鋼生產(chǎn)的。70 年代開始仿制美國的鋼種，最具代表性的有40CrNi2MoA 鋼，是仿4340 鋼研制而成的；40Si2Ni2CrMoVA 鋼是仿美國的300M 鋼研制的，45CrNiMo1VA是仿D6AC 鋼研制的。 
    在50年代，中國立足國內(nèi)資源，走自我研制的道路，先后研制出一系列新型合金鋼種，如無鎳鉻的35Si2Mn2MoVA，不含鎳的406、D406A、40CrMnSiMoVA（GC-4），含少量鎳的37Si2MnCrNiMoVA 等。406 鋼是國內(nèi)自行設(shè)計、自行研制最成功的典范，它是為解決航天固體火箭發(fā)動機殼體材料而研制的超高強度鋼。為了提高材料的韌性又開發(fā)了D406A。
    中國常規(guī)武器用超高強度鋼自50 年代開始研究以來，在科研人員的努力下，開發(fā)出一批符合中國資源配比的高強度鋼，它們廣泛應(yīng)用于國內(nèi)步兵輪式戰(zhàn)車、槍、炮、彈等領(lǐng)域。中國新研發(fā)的速射武器身管用鋼獲得了國家二等科技發(fā)明獎，該鋼屬貝氏體鋼范疇，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)良的綜合力學性能、高溫性能及疲勞性能，應(yīng)用于速射武器身管、耐燒蝕零件（如氣體調(diào)整器、活塞等。另外，立足于中國資源而研制的中碳低合金鋼，該鋼主要用于制造機槍的槍管、活塞、擊針以及小口徑火炮的炮箱、受彈器、高強度螺栓和軸等。新型高硬度裝甲鋼，是中國為改善高壓鎢鋼焊接性能而自行研制的新鋼種，應(yīng)用于輕型坦克的薄板裝甲板、履帶車輛等領(lǐng)域。   
    2.二次硬化超高強度鋼的研究進展   
    近年來，國內(nèi)又先后研制了G99 和G50 兩種超高強度鋼。G99 是由中國鋼鐵研究總院、長城特殊鋼公司、航天部七O三所、東北大學共同承擔研制的，與國外應(yīng)用最廣的AF1410相當，在航空航天上具有廣闊的應(yīng)用前景。為了降低成本，中國開發(fā)了G50 鋼，該鋼的特點是價格低廉、強度韌性也很高，是具有中國特色的新型無鈷高強高韌鋼。G50 通過添加1.50%至2.30%的Si 來推遲低溫回火脆性，Si 同時起固溶強化的作用，為了細化晶粒，G50 中又加入了0.01%至0.06%的鈮。在有害氣體的控制上，中國的這兩種鋼都相當好，基本已經(jīng)達到了高純凈度鋼的要求。   
    提高超高強度鋼純凈度的冶煉工藝   
    由于超高強度鋼具有很高的強度，因此這些鋼對各種表面缺陷如裂紋、夾雜、焊縫和表面加工所造成缺陷十分敏感。近年來如何降低超高強度鋼的缺口敏感性、提高鋼的韌性成為一個重要的研究方向。為了改善鋼的韌性，近年來冶金工作者圍繞如何降低鋼中有害雜質(zhì)元素含量和改善夾雜物的形態(tài)以提高鋼的韌性進行了大量的研究。美國的鋼種多采用真空感應(yīng)＋真空自耗重熔的雙真空工藝，俄羅斯多采用電渣重熔的冶煉工藝。從生產(chǎn)檢驗標準的變化來看也說明人們在努力追求更高的純凈度和冶金質(zhì)量。如美國的300M 鋼，1961年SAE 頒布了第一個標準，即采用非真空冶煉的AMS 6416，1968 年SAE 又頒布了采用真空冶煉的AMS 6417， 1976 年修訂為AMS 6417B， 1989 年修訂為AMS 6417C，到1991 年修訂為AMS 6417D。同樣，D6AC 的標準從1964 年的AMS6431A 到1980 年己修訂為AMS 6431F。每一次修訂均在鋼的內(nèi)在質(zhì)量、純凈度和低倍組織等方面提出了更高的要求。  
    國內(nèi)超強鋼的冶煉主要是通過雙真空爐來完成，即真空感應(yīng)爐熔煉＋真空電渣重熔，中國在研究G50 鋼的過程中采用了高純化熔煉新技術(shù)，這是保證鋼具有優(yōu)良韌塑性的重要條件。該技術(shù)的主要特征是：根據(jù)G50 鋼成分特點，在真空感應(yīng)冶煉過程中加入微量的稀薄渣及適量的Ca-Si 塊，以改變原有夾雜物的性質(zhì)，從而提高G50的韌塑性。AMS6532中規(guī)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 系列和中國的G99、G50 的純凈度都遠遠超過了這個標準的要求。
   
    超高強度鋼在軍事的應(yīng)用
   
    AISI 4340 鋼是最早出現(xiàn)的低合金超高強度鋼，也是低合金超高強度鋼的典型代表。美國從1950 年開始研究4340鋼，1955 年正式用于飛機起落架。1952 年美國國際鎳公司研制開發(fā)出的300M 鋼在1966 年后作為美國的軍機和主要民航飛機的起落架材料而獲廣泛的應(yīng)用，F(xiàn)-15、F-16、DC-10、MD-11 等軍用戰(zhàn)斗機都采用了300M 鋼，此外波音747 等民用飛機的起落架及波音767 飛機機翼的襟滑軌、縫翼管道等也采用300M 鋼制造。美國于60 年代初開始研制D6AC，它是由AISI 4340 鋼改進而成的低合金超高強度鋼，被廣泛用于制造戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導彈發(fā)動機殼體及飛機結(jié)構(gòu)件。到了70 年代中期，D6AC 逐漸取代了其它合金結(jié)構(gòu)鋼，成為一種制造固體火箭發(fā)動機殼體的專用鋼種。美國新型地空導彈“愛國者”，小型導彈“紅眼睛”，大中型導彈“民兵”、“潘興”、“北極星”、“大力神”等，D6AC 還曾用于制造F-111 飛機的起落架和機翼軸等，成為宇航工業(yè)使用的優(yōu)秀材料之一。
   
    俄羅斯在前蘇聯(lián)時期開始研制低合金超高強度鋼，時間大體上與美國同步，具有自己的鋼種體系，由于鎳的加入提高了鋼的強度、塑性和韌性，也提高了鋼的淬透性，由此改良和派生出了一系列鋼種。40XH2CMA 是在40XH2MA 基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，40XH2CBA是用W 代替40X H2CMA中Mo而成的。近十幾年來他們又研制了新型經(jīng)濟型的低合金超高強度鋼，其抗拉強度分別可達到1800至2000MPa 和1950至2150MPa。
   
    為滿足快速發(fā)展的航空工業(yè)對材料的需要，人們分析了航空構(gòu)件的結(jié)構(gòu)重量效率和對材料斷裂韌性的要求，提出了開發(fā)新型二次硬化高強度合金鋼來代替低合金超高強度鋼的目標。有資料顯示，美國ARDEC 公司曾將AF1410 制成120毫米 火炮身管前端3米 長的套管，以減輕火炮前部的質(zhì)量，另外美國將此合金用于空間發(fā)射空間器材或作為攔截導彈的彈丸發(fā)射器使用。二次硬化鋼Aermet 100 是綜合性能最高的材料之一，也是國際上超高強度鋼研究的熱點，第四代戰(zhàn)斗機和航母艦載機起落架之首選材料。美國己成功地將其應(yīng)用在最先進的F-22 隱形戰(zhàn)斗機起落架上和F-18 艦載機的起落架上。Aermet 100 鋼具有最佳的強韌性配合和廣泛應(yīng)用前景，將成為未來軍事裝備中關(guān)鍵器件的首選材料。
   
    中國超高強度鋼的應(yīng)用對象主要是航空工業(yè)，406 鋼是為解決航天固體火箭發(fā)動機殼體材料而研制的超高強度鋼，D406A 鋼降低了強度，但卻大幅度提高了韌性，已成為中國大中型固體火箭發(fā)動機的專用鋼種。1980 年中國開始仿制300M 鋼，從“六五”到“九五”期間，鋼鐵研究總院和撫順特殊鋼公司在鋼的純凈化方面做了大量的工作，并發(fā)展了超純冶金技術(shù)，將該鋼成功地用于殲擊機起落架上，使中國實現(xiàn)了飛機與起落架同壽命的壯舉。45CrNiMo1VA 鋼是仿美D6AC 研制的，已成功用于地空導彈的發(fā)動機殼體�！鞍宋濉逼陂g成功用于制造反坦克導彈的發(fā)動機殼體和高壓氣瓶。45CrNiMo1VA 具有優(yōu)良的強韌性配合及工藝性能，是制造薄壁殼體的理想材料，在航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。32 鋼應(yīng)用于速射武器身管、耐燒蝕零件；30SiMn2VA鋼用于制造機槍的槍管、活塞、擊針以及小口徑火炮的炮箱、受彈器、高強度螺栓和軸等；616 鋼應(yīng)用于輕型坦克的薄板裝甲板、履帶車輛等領(lǐng)域；38CrSi 用于制造裝甲車輛上的小軸、螺栓、履帶銷、行星齒輪、齒套、定位圈等多種零件；38CrNi3MoVA 為聯(lián)合研發(fā)的低合金超高強鋼，其綜合力學性能超過PCrNi3MoVA 鋼，是國內(nèi)火炮身管用鋼、大型受力部件的理想材料。
   
    低合金超高強度鋼的生產(chǎn)成本低廉，生產(chǎn)工藝比較簡單，仍然是今后在軍事裝備中使用量最大的鋼種。通過提高冶金質(zhì)量、調(diào)整成分和改善熱處理工藝，這類鋼可滿足各種使用要求。
   
    二次硬化超高強度鋼具有極高的強度和良好的強韌性匹配，還具有良好的抗海水腐蝕性能和極好的焊接性能等特點，是超高強度鋼中的佼佼者。通過這些鋼的應(yīng)用可以極大地推進武器裝備輕量化、緊湊化的進程，對提高武器裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能具有重要作用。因此，中國的發(fā)展重點應(yīng)是大力開發(fā)經(jīng)濟型二次硬化超高強度鋼，以滿足飛機的承力部件、坦克和裝甲車輛的結(jié)構(gòu)件、火炮身管和各種槍械等研制的需求，這將對兵器裝備的發(fā)展、研制水平的提升都有十分重要的作用。