超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。20世纪40年代中期，美国用AlSl4340结构钢通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600～1900MPa。50年代以后，相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢，如300M、D6AC和H—11钢等。60年代研制成功马氏体时效钢，逐步形成18Ni马氏体时效钢系列，70年代中期，美国研制成功高纯度HP310钢，抗拉强度达到2200MPa。法国研制的35NCD16钢，抗拉强度大于1850MPa，而断裂韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进。80年代初，美国研制成功AF1410二次硬化型超高强度钢，在抗拉强度为1860MPa时，钢的断裂韧度达到以上，AF1410钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料。

我国于50年代初研制成功30CrMnSiNi2A超高强度钢，抗拉强度为1700MPa。70年代初，结合我国资源条件，研制成功32Si2Mn2MoVA和40CrMnSiMoVA（GC—4）钢。1980年以来，从国外引进新技术，采用真空弟兄炼新工艺，先后研制成功45CrNiMoVA（D6AC）、34Si2MnCrMoVA（406A）、35CrNiMoA、40CrNi2Si2MoVA（300M）和18Ni马氏体时效钢，成功地用于制做飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩轴离心机筒体等。目前超高强度钢已形成不同强度级别系列，在国防工业和经济建设中发挥着重的作用。

现在，以改变合金成分提高超高强度钢的强度和韧性已很困难。发展超高强度钢的主要方向是开发新工艺、新技术，提高冶金质量，如采用真空弟兄炼技术，最大限度降低钢中气体和杂质元素含量，研制超纯净超高强度钢；通过多向锻造和形变热处理，改变钢的组织结构和细化晶粒尺寸，从而提高钢的强度和韧性，例如正在发展的相变诱发塑性钢（TRIP钢）等。

1.超高强度钢的特性

（1）中碳低合金超高强度钢

此类钢是通过淬火和回火处理获得较高的强度和韧性。钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。含碳量增加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在0.30～0.45%。钢中合金元素总量约在5%左右，Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo、W和V的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。

（2）二次硬化钢

H—11钢是最早研制成功和使用的中合金超高强度钢。钢的含碳量约0.40%，含铬5%。钢的淬透性高，一般零件在空气冷却条件下即可获得马氏体组织。经500℃回火时，析出M2C（M表金属元素）和V4C3产生二次硬化效应，钢的强度达到1962MPa以上。该类钢具有较高的中温强度，除用于制做热作模具外还制作飞机发动机后框架等，在400～500℃工作条件下能承受较高的应力。

9Ni—4Co系列钢是高韧性超高强度钢，按照强度级别含碳量范围0.20～0.45%，通常使用的有HP9—4—20和HP9—4—30，含碳量分别为0.20%和0.30%。该类钢经820℃加热后油淬，450～550℃回火，抗张强度为1400～1600MPa，断裂韧度达到以上。

AF1410钢近年来受到了航空和航天部门的极大重视，该类钢含有Ni、Co、Cr和Mo等合金元素，经固溶和油淬处理形成高位错密度板条马氏体，在板条边界分布有少量残留奥氏体。时效处理析出弥散分布的合金碳化物，从而获得高强度和高韧性。

（3）马氏体时效钢

该类钢含碳量较低，含有18～25%Nic当加热到高温时得到稳定的奥氏体组织，在空冷条件下可完全转变形成微碳马氏体。Co在钢中的作用是提高Ms点，减少残留奥氏体量，降低Mo在马氏体中的固溶度，增加Mo的沉淀强化效应。马氏体时效钢经固溶和时效处理，析出金属间化合物Ni3Mo、Ni3Ti和Ni3Al等产生弥散强化效应。其中性能好，使用最为广泛的是18Ni马氏体时效钢。(www.daowen.com)

马氏体时效钢在固溶处理后为超低碳马氏体组织，加工硬化指数低，冷加工成型性好。在固溶状态下可焊性好，采用钨极氩气保护焊不需要预热和后热。热处理时零件变形小，尺寸稳定。但合金元素含量高致使钢的成本增高。马氏体时效钢具有独特的优点，在较高的强度条件下使用安全可靠性好，固体火箭发动机壳体用18Ni马氏体时效钢，使用强度为1750MPa，浓缩轴离心分离机旋转筒体用马氏体时效钢，使用强度达到2450MPa。

2.超高强度钢的新工艺、新技术

（1）改进冶炼工艺

采用真空自耗重熔或真空感应炉和真空自耗炉双联冶炼工艺，对改善超高强度钢的韧性有显著的效果。断裂力学理论表明，钢的断裂韧度与钢中非金属夹杂物的平均间距的平方根成正比。减少夹杂物的数量，增大夹杂物的平均间距，则断裂韧度提高。

（2）改善热处理工艺

4340钢和300M钢采用1200℃高温淬火后，奥氏体晶粒尺寸由20μm增大到200μm左右。由于高温加热，使碳化物充分溶解，减少第二相在晶界形核，并在马氏体板条边界形成厚100～200Å残留奥氏体薄膜。从而搞了钢的断裂韧度。300M钢高温淬火后的断裂韧工提高到。但是由于晶粒粗大，冲击韧性明显下降。

形变热处理已经广泛用于提高超高强度钢的强度和韧性。通常采用Ar3以上温度进行高温形变热处理。由于位错密度增加，加速合金碳化物析出，降低了奥氏体中碳和合金元素含量，使其在淬火后形成细小板条状马氏体，钢中孪晶马氏体量减少。因而不仅强度提高而韧性也有明显的改善。30CrNiSiMnMoA钢经高温形变热处理后，抗拉强度由1670MPa提高到1990MPa，而断裂韧度由提高到100.8MPa·。

（3）其他

超高强度钢对零件表面缺陷的敏感性高，而结构件的疲劳破坏和应力腐蚀延迟断裂又往往起源于表面缺陷。采用喷丸强化可使零件表层晶粒细化，增加位错密度，提高了屈服强度。同时由于喷丸强化在表面层产生压应力，使其固有裂纹缺陷的尖端形成压应力场，在外力作用下只有当外加应力与压应力场相互抵消，并超过材料的裂纹扩展强度因子的情况下，裂纹才能开始扩展。例如4340钢制做的飞机零件，经喷丸的零件相比，疲劳强度极限提高40%。30CrMnSiA钢经喷丸强化，其强化层达0.6mm，裂纹扩展应力强度因子门槛值△Kth提高到。

带孔零件采用内孔挤压强化是用挤压棒穿过内孔使表面达到较高的尺寸精度和表面光洁度，并在表面层形成一定深度的冷作硬化层。挤压强化使孔内壁强化层由于塑性变形而产生大量的位错圈、位错网和位错缠结，使位错密度升高，内应力增加，提高了屈服强度。由于内表面层形成残余压应力和表面光洁度提高，也能进一步降低内孔表面缺陷的有害影响，例如30CrMnSiNi2A钢经挤压强化，疲劳强度极限由315MPa提高到600MPa。