航空用鋼進(jìn)行材料選用主要考慮標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,、工藝適應(yīng)、使用性能和經(jīng)濟(jì)原則,。特種合金鋼選用后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí),，保證產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性；通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成產(chǎn)品抗疲勞專用性能以及可靠性,、維修性,、耐久性等通用性能。

航空高強(qiáng)鋼材料選用與設(shè)計(jì)流程圖,，如圖1,。

圖1 航空高強(qiáng)鋼材料選用與設(shè)計(jì)流程圖

屈服強(qiáng)度高于1245MPa、抗拉強(qiáng)度高于1370MPa的結(jié)構(gòu)鋼材稱為超高強(qiáng)度鋼,。該鋼種的比強(qiáng)度高,，即強(qiáng)度與密度的比值高，因而適用于航空工業(yè),。

目前超高強(qiáng)度鋼主要包括以下幾種：

(1)低合金超高強(qiáng)度鋼

其強(qiáng)度來(lái)自馬氏體于260℃以下低溫回火,，增硅后回火溫度可提高到350℃。該類鋼用于室溫下工作的承力構(gòu)件,，包括飛機(jī)的起落架,、主梁及其他高強(qiáng)度關(guān)鍵零部件,。

(2)二次硬化超高強(qiáng)度鋼

其中的中合金超高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度來(lái)自馬氏體于550℃左右回火產(chǎn)生二次硬化，回火溫度之高低取決于選用的二次硬化合金元素,。該類鋼適用于500℃以下的中溫高強(qiáng)度構(gòu)件,，如飛機(jī)起落架、梁,、承力框架,、螺栓等。

高合金超高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度來(lái)自低碳高合金馬氏體于550℃以下回火產(chǎn)生二次硬

化,，回火溫度高低與選用的合金元素種類,、數(shù)量及配比有關(guān)。高合金超高強(qiáng)度鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,，取代其他類型鋼用作飛機(jī)起落架,、螺栓等零件。

(3)馬氏體時(shí)效超高強(qiáng)度鋼

其強(qiáng)度來(lái)自含有18％～20％以上 Ni的奧氏體空冷得到的低碳,、高合金馬氏體和時(shí)效時(shí)合金元素Mo, Ti, Al重新分配形成化合物沉淀,。該類鋼主要用作固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)火箭殼體等。

特種合金鋼能夠加工制 成 極 細(xì) 的鋼絲等特殊形狀,，那么高碳鋼強(qiáng)度可超過(guò)4000MPa,。另外，如果使馬氏體彌散分布在鐵素體基體中,，則強(qiáng)度可達(dá)到5000MPa,。當(dāng)制成機(jī)械零件和工程構(gòu)件時(shí)，則不能充分加工成形和組織精確控制,，超高強(qiáng)度鋼采用彌散析出的金屬間化合物和碳化物為強(qiáng)化相,，在保持較高韌性基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高強(qiáng)度。

特種合金鋼高強(qiáng)化是未來(lái)發(fā)展方向,。但是考慮到實(shí)用性時(shí),，還需要解決延性和韌性問(wèn)題。延性和韌性是特種合金鋼最基本的特征,，實(shí)際使用中考慮到穩(wěn)定性時(shí),，2500～3000MPa的強(qiáng)度作為其極限強(qiáng)度。一般說(shuō)來(lái),，材料強(qiáng)度提高時(shí)，疲勞強(qiáng)度也隨之提高,。當(dāng)鋼的強(qiáng)度超過(guò)1000 MPa時(shí),，疲勞強(qiáng)度改善不明顯。另外,，當(dāng)考慮到延遲斷裂性時(shí),，1500MPa的材料強(qiáng)度是其極限,，如果超過(guò)該值，則抗延遲斷裂性將會(huì)惡化,，其中夾雜物和結(jié)晶晶界是其限制環(huán)節(jié),。日本在1996年開(kāi)始實(shí)施STX-21和超金屬計(jì)劃兩個(gè)國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，兩者共同將晶粒的“超”細(xì)微化作為研究重點(diǎn),。利用細(xì)晶強(qiáng)化方法不僅改善鋼的韌性和延性,，而且也改善疲勞強(qiáng)度和延遲斷裂敏感性。超高強(qiáng)度鋼的成分,、工藝,、組織及性能關(guān)系如圖2。

圖2 超高強(qiáng)度鋼的成分,、工藝,、組織及性能關(guān)系

我國(guó)超高強(qiáng)度鋼是隨著國(guó)防建設(shè)的需要而逐步發(fā)展起來(lái)的。從20世紀(jì)50年代末研制第一個(gè)超高強(qiáng)度鋼32SiMnMoV鋼(32鋼)到現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)了50多年,。整個(gè)發(fā)展過(guò)程大體上經(jīng)歷了兩個(gè)階段,。從20世紀(jì)50年代末到70年代末的第一階段，是我國(guó)超高強(qiáng)度鋼的創(chuàng)業(yè)和發(fā)展階段,。在這一階段,，主要是仿制、消化和發(fā)展前蘇聯(lián)武器用鋼的牌號(hào),，在此基礎(chǔ)上結(jié)合我國(guó)資源,，研制了不含鎳、鉻的低合金超高強(qiáng)度鋼,，如32SiMnMoV鋼（32鋼）,、40SiMnCrMoVRE鋼（406)、37SiMnCrNiMo鋼等,，質(zhì)量達(dá)到前蘇聯(lián)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)要求及產(chǎn)品實(shí)物水平,，并已用于制造飛機(jī)起落架和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等重要部件。從20世紀(jì)80年代至今的第二階段,，是我國(guó)超高強(qiáng)度鋼的逐漸提高階段,。采用真空冶煉等先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，提高了鋼的純潔度,、均勻性等綜合性能,，先后研制成功40CrNi2Si2MoVA,45CrNiMo1VA、18Ni馬氏體時(shí)效鋼和9Ni-4Co型高斷裂韌性超高強(qiáng)度鋼等,，并能嚴(yán)格按照歐美體系的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試制和生產(chǎn),，保證了新型航空裝備關(guān)鍵零件和構(gòu)件的需求。

這一階段的工作使我國(guó)超高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)工藝和質(zhì)量水平上了一個(gè)新臺(tái)階，接近或基本達(dá)到西方發(fā)達(dá)國(guó)家的水平,。

用戶對(duì)超高強(qiáng)度鋼的要求主要包括以下內(nèi)容:

(1)強(qiáng)度

高強(qiáng)度包括拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,，是機(jī)械零件減重設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)，拉伸強(qiáng)度需求達(dá)到或已超過(guò)2000MPa,。 

(2)塑性和韌性

塑性是超高強(qiáng)度鋼的最重要性能之一,。一般地說(shuō)，隨拉伸強(qiáng)度提高,，塑性如延伸率降低,。因而，強(qiáng)度水平的提高受到塑性需求的制約,。塑性降低還導(dǎo)致缺口敏感性增加,。塑性包括縱、橫向塑性,，對(duì)重要承力構(gòu)件應(yīng)一并要求,。提高塑性的最重要方法是提高純潔度，降低S,P等雜質(zhì)含量（可變形的硫化物夾雜沿變形流線方向伸長(zhǎng),，劇烈地傷害橫向塑性）,。超高強(qiáng)度鋼必須采用電渣、真空冶煉工藝進(jìn)行熔煉,。韌性包括沖擊韌性,、斷裂韌性等，也是超高強(qiáng)度鋼的重要性能,，隨拉伸強(qiáng)度提高而降低,，并隨純潔度提高而大為改善。例如對(duì)于拉伸強(qiáng)度為1200MPa的1％Cr-Mo鋼,，當(dāng)S,P雜質(zhì)含量由0.026％降至,。.008％時(shí)，室溫沖擊韌性(A_KV)值由16J升高至44J,。提高C量使強(qiáng)度提高至2250MPa,；S、P雜質(zhì)含量降至0.002％時(shí),，室溫沖擊韌性(A_KV)值為14J,，也就是說(shuō)，采用高純真空熔煉工藝,，在保持沖擊韌性不變時(shí),，拉伸強(qiáng)度提高了一倍。

(3)工藝適應(yīng)性

對(duì)要求焊接的零件,，鋼的可焊性顯得很重要,。強(qiáng)度越高,、對(duì)氫脆越敏感,。所以應(yīng)選用盡可能減少氫含量的焊接方法,。

(4)抗疲勞性能

許多應(yīng)用都要求良好的抗疲勞性能，但是各種冶金因素對(duì)疲勞性能的影響尚未十分清楚,。高純潔度對(duì)抗疲勞有益,，要求高抗疲勞性能的超高強(qiáng)度鋼中應(yīng)保持低含量。

(5)抗應(yīng)力腐蝕和抗氫脆性能

超過(guò)1500MPa抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的缺口以及氫脆敏感性增加,。

為了提高鋼的強(qiáng)度,，在鋼中加入各種合金元素。一般來(lái)說(shuō),，合金元素加入鋼中的主要作用是保證鋼容易獲得馬氏體,，只有獲得馬氏體，鋼的強(qiáng)度才有初步保證,。為了獲得馬氏體,，對(duì)鋼的淬透性有一定的要求。鋼中常用的合金元素Mn,Cr, Mo,B等能較明顯地提高鋼的淬透性,，Ni,Si作用較小,，Ni,Cr同時(shí)加入鋼中，尤其是按Cr與Ni之比近似于1:3的量加入時(shí),，其淬透性可以得到明顯提高,，例如：12CrNi3材料具有較好的淬透性。

過(guò)去人們認(rèn)為高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度,、塑性,、韌性等項(xiàng)指標(biāo)配合作為衡量材料綜合機(jī)械性能的主要依據(jù)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,，以及人們認(rèn)識(shí)的提高,，上述傳統(tǒng)的指標(biāo)已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)要求，因?yàn)榻^大多數(shù)機(jī)械零件并不是在一次大能量沖擊下破斷的,，而是在小能量多次沖擊下形成內(nèi)部裂紋,，裂紋擴(kuò)展最后導(dǎo)致斷裂。故引入材料對(duì)抵抗應(yīng)力脆斷及抵抗裂紋擴(kuò)展能力的指標(biāo)即斷裂韌性來(lái)評(píng)定,，對(duì)于在交變載荷作用下的零件,，還應(yīng)要求有較高的疲勞強(qiáng)度。目前可通過(guò)兩條途徑獲得良好的機(jī)械性能：一是通過(guò)適當(dāng)調(diào)整鋼的成分,，特別是控制碳含量,，并適當(dāng)?shù)丶尤胍恍┖辖鹪兀欢沁x擇適合的熱處理工藝,。例如：30CrMnSiA材料淬火后高溫回火與低溫回火所得塑性與韌性指標(biāo)相近,，而低溫回火卻能得到較高的強(qiáng)度。

為了達(dá)到上述要求低合金超高強(qiáng)度鋼的成分設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)。

（1）含碳量一般控制在0.2%～0.45％的范圍內(nèi),，因?yàn)轳R氏體的強(qiáng)度主要取決于它的含碳量及其組織結(jié)構(gòu),，而馬氏體的韌性主要取決于它的亞結(jié)構(gòu)，馬氏體的亞結(jié)構(gòu)基本上分為兩類,，即位錯(cuò)型（板條狀馬氏體）和孿晶型（片狀或針狀馬氏體）,，低碳的位錯(cuò)型馬氏體具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和良好的韌性，高強(qiáng)的孿晶馬氏體具有高的強(qiáng)度,，但韌性很差,。故綜合考慮，欲使馬氏體具有較高的強(qiáng)度和良好的韌性,，限制鋼中的含碳量,，設(shè)法獲得位錯(cuò)型亞結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高鋼的強(qiáng)制性,。

（2）嚴(yán)格限制磷,、硫等雜質(zhì)元素的含量，航空材料標(biāo)準(zhǔn)中要求磷,、硫等雜質(zhì)含量在0.025％以下,，一般高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼磷硫含量分別不應(yīng)大于0.035％和0.03%,優(yōu)質(zhì)鋼磷硫含量不大于0.04%。

（3）合金元素總量不大,，一般在3％～7％范圍,，但所含合金元素的種類較多，常加入的合金元素有Cr, Ni, Si, Mn, W, Mo, V, Nb, Ti, B及稀土等,。其中主加元素Cr, Ni, Mn, Si加入量較大,，在改善鋼的性能方面起主導(dǎo)作用；輔加元素W, Mo, V, Ni, Ti, B等加入量較少,，在改善鋼的性能方面起輔助作用,。這樣可發(fā)揮合金元素“多元少量”的復(fù)合作用，彼此補(bǔ)充,，互相配合取得理想的冶金效果,。

為了改善低合金超高強(qiáng)度鋼的韌性，提高鋼在工作條件下的安全可靠性,，對(duì)鋼中夾雜,、氣體以及有害雜質(zhì)元素（S, P, O, N, H等）的含量要嚴(yán)格控制。目前生產(chǎn)中傾向于采用電渣重熔,、真空感應(yīng)及真空自耗等提高鋼的純潔度的冶煉工藝,，以降低鋼中有害雜質(zhì)和氣體的含量。通常為充分發(fā)揮材料的潛力與作用,，高強(qiáng)度鋼都是在熱處理至很高強(qiáng)度的狀態(tài)下使用,，在這種條件下,，韌性值都很低，相應(yīng)地氫脆的敏感性較大,；此外,，近代熱處理為避免零件在加熱過(guò)程中的氧化和脫碳，大多采用保護(hù)氣氛熱處理或真空熱處理,，而保護(hù)氣氛熱處理通常采用吸熱式氣氛,，這種氣氛內(nèi)含有大量的氫氣,，此外很多重要承力構(gòu)件都是經(jīng)過(guò)電鍍防銹處理的,，這些因素綜合影響，使得氫脆成為高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼應(yīng)用中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題,，多次釀成重大失效事故,。鑒于上述情況，高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼在選用保護(hù)氣氛熱處理時(shí)應(yīng)慎重考慮保護(hù)氣源,，或注意增加除氫處理的措施,，在可能的條件下，采用真空熱處理或惰性氣氛下保護(hù)熱處理將更為可靠,。

目前,，超高強(qiáng)度鋼已形成合金體系，如低合金系300M,、D6AC鋼,，中合金系H11、38Cr2Mo2VA鋼,，高合金系AF1410,、Aermet100鋼和馬氏體時(shí)效鋼系Marage250、300等,。這些鋼已達(dá)到抗拉強(qiáng)度1800～2100MPa和斷裂韌性63～145MPa·m^1/2,，并已廣泛應(yīng)用于航空主承力構(gòu)件。

Co元素的良好作用使NiSiCrCoMo低合金鋼獲得抗拉強(qiáng)度1980MPa和K_IC=120MPa·m^1/2的綜合性能,；在Aermet100基礎(chǔ)上提高碳含量得到的高合金超高強(qiáng)度鋼Aermet310抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性分別達(dá)到2170MPa和71MPa·m^1/2,；采用M₂C和NiAl共同強(qiáng)化的添加Al的AF1410鋼達(dá)到抗拉強(qiáng)度2125MPa和沖擊韌性(CVN)31J的力學(xué)性能；Marage400鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到2800MPa,；利用Mo,V元素在鋼中的有序化傾向和條紋分解造成的調(diào)制組織和熱機(jī)械處理＋冷變形等方法,，通過(guò)高鉆、鉬,、釩合金成分設(shè)計(jì),，使鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到4000MPa;而用特種熱機(jī)械處理(STMT)＋冷變形使10Ni-18Co-12Mo-lTi鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到4295MPa。

超高強(qiáng)度鋼的主要應(yīng)用是航空高承載構(gòu)件,，超高強(qiáng)度鋼制構(gòu)件已采用安全壽命,、損傷容限和耐久性設(shè)計(jì)以保證在規(guī)定壽命期內(nèi)可靠使用,。超高強(qiáng)度鋼的主要特征是疲勞性能高，對(duì)應(yīng)力集中敏感,，如300M鋼在應(yīng)力集中系數(shù)Kt值為3和5時(shí),，疲勞強(qiáng)度較光滑試樣分別降低約50％和80%，而且裂紋起始?jí)勖哂跀U(kuò)展壽命,。趙振業(yè)院士從“無(wú)應(yīng)力集中”表面完整性抗疲勞概念出發(fā),，發(fā)展了包括表面完整性加工、表面強(qiáng)化改性,、表面防護(hù)和低應(yīng)力集中設(shè)計(jì)等工程應(yīng)用技術(shù)體系,。超高強(qiáng)度鋼研制及所獲得性能數(shù)據(jù)表明，超高強(qiáng)度鋼發(fā)展瓶頸是強(qiáng)韌化性能匹配和耐腐蝕,，確切地說(shuō)是韌化機(jī)理尚未得到很好解決,，在提高強(qiáng)度時(shí)韌性降低，而且這一傾向隨強(qiáng)度升高而增大,。超高強(qiáng)度鋼的另一個(gè)重要問(wèn)題是不耐腐蝕,。提高超高強(qiáng)度鋼的韌性和耐腐蝕性能是未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)，也是急待解決的技術(shù)難點(diǎn),。

在超高強(qiáng)度鋼中,，合金總量小于5％的低合金超高強(qiáng)度鋼占據(jù)大部分，低合金超高強(qiáng)度鋼由調(diào)質(zhì)鋼發(fā)展而來(lái),，采用低溫回火工藝,，如35Si2Mn2MoV,40CrNiMo,30CrMnSiNi等。合金采用多元復(fù)合合金化路線,，要求雜質(zhì)少,、淬透性高，并借助熱機(jī)械加工技術(shù)細(xì)化晶粒,。其屈服強(qiáng)度超過(guò)1370MPa,，抗拉強(qiáng)度高于1500MPa，且伸長(zhǎng)率高于10％,。低合金超高強(qiáng)度鋼對(duì)缺口很敏感,，目前主要借助去除夾雜和細(xì)化晶粒等技術(shù)手段提高鋼的韌性。

低合金超高強(qiáng)度鋼的研究發(fā)展目標(biāo)在于提高強(qiáng)度同時(shí)提高韌性,。設(shè)計(jì)準(zhǔn)則首先滿足用戶的力學(xué)性能,、焊接性能、抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能,，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適宜的合金成分,，達(dá)到如下要求：①足夠的淬透性以保證大截面性能均勻；②控制300℃以上回火溫度,；③控制馬氏體相變點(diǎn),，以免產(chǎn)生淬火裂紋,；④在滿足強(qiáng)度要求下盡可能降低C量；⑤盡量不選用價(jià)格較高的合金元素以降低成本,。