在合金結構鋼的基礎上發展起來的一種高強度、高韌性合金鋼。通常把抗拉強度在1500MPa以上，或者屜服強度在1380MPa以上，并具有足夠的韌性和良好的工藝性能的合金鋼稱為超高強度鋼。主要用于航空和航天工業制作承受高應力的重要結構部件。按照化學成分和使用性能特點可劃分6大類別：(1)低合金超高強度鋼。(2)二次硬化超高強度鋼。(3)馬氏體時效鋼。(4)超高強度不銹鋼。(5)基體鋼。(6)相變誘導塑性鋼。
簡史 早在20世紀40年代中期，由于航空和航天技術發展的需要，為了減輕飛行器自重，提高飛行速度，要求結構材料必須具有更高的比強度。為此，美國人在AISI4130和4340鋼的基礎上，改變熱處理工藝，采用淬火加低溫回火，獲得回火馬氏體組織，使鋼的抗拉強度提高到1600MPa以上。用于制造飛機結構件，超crlqo對減輕飛行器自重取得了明顯成效。20世紀50年代以后，在提高鋼的強度和改善鋼的韌性方面不斷取得新進展，相繼研制成功300M，D6AC和H一11等超高強度鋼。1960年美國國際鎳公司研制出馬氏體時效鋼，并逐步形成18Ni馬氏體時效鋼系列，屈服強度分別為1400MPa、1700MPa、2100MPa和2400MPa，其斷裂韌性達到較高的水平。20世紀70年代以后，超高強度鋼的發展主要是提高韌性。在9Ni-4Co系列之后，美國在Hyl80鋼的基礎上，又研制成功AFl410二次硬化超高強度鋼，該鋼采用低碳馬氏體和析出合金碳化物彌散強化效應，不僅強度高，韌性高，而且具有很高的抗應力腐蝕能力。其抗拉強度為1700MPa，斷裂韌性(KIL)高達160MN%26bull;m-3/2以上。應力腐蝕界限強度因子(KIscc)高達60MN%26bull;m-3/2以上。已用于制造飛機起落架和平尾軸等重要結構部件，受到航空和航天部門的重視和青睞。進入20世紀90年代以來，為了適應航空工業的需要，在AFl410鋼的基礎上，美國研制成功AerMetl00，鋼的抗拉強度為1965MPa，斷裂韌性達到120MN%26bull;m-3/2抗應力腐蝕性能好。用于制造飛機起落架，將大大提高飛行安全可靠性，延長飛機使用壽命。
中國從20世紀50年代開始試制超高強度鋼。結合國內資源條件先后研制成功35Si2Mn2MoVA，40CrMnSiMoVA和33Si2MnCrMoVREA等低合金超高強度鋼，這些材料已經用于制造飛機起落架和固體火箭發動機殼體等重要部件。1980年以后采用真空冶煉技術，提高了鋼的純度，先后試制成功40CrNi2Si2MoVA、45CrNiM01VA和18Ni馬氏體時效鋼等。超高強度鋼的研制和應用均取得了顯著的進展。進入20世紀90年代以來，在新材料和新工藝的研究方面，不斷有新的突破，航空和航天用高斷裂韌性超高強度鋼的研制和應用均取得了新進展。
力學性能 強度和韌性是超高強度鋼的兩項主要力學性能。表1列出了幾種超高強度鋼的強度、斷裂韌性和主要用途。提高鋼的強度是為了提高比強度，從而減輕結構件的自身重量。增加鋼的韌性是為了提高結構件在使用過程中的安全可靠性。一種鋼的強度和韌性是相互制約的。如果只追求提高強度而韌性不足，在使用過程中結構件則不是由于超載發生塑性破壞，而是當載荷應力遠低于鋼的屈服強度情況下，由于裂紋失穩擴展發生脆性斷裂。其斷裂源往往是由鋼中的非金屬夾雜物或者是結構件表面缺陷產生局部應力集中而造成的。因此，工程設計者為了確保使用超高強度鋼的安全可靠性，已經采用以斷裂韌性為依據的容許損傷設計理論。斷裂韌性標志著材料在受力條件下能夠93c}100超阻止裂紋迅速擴展的能力。材料的斷裂韌性愈高。則承受的外加應力愈大，容許存在的臨界裂紋尺寸也愈大。如果選用材料的斷裂韌性值較低，在使用過程中由于結構件容許存在的臨界裂紋尺寸很小，當裂紋擴展超過其容許的裂紋尺寸時就有可能產生失穩斷裂。因此選用材料不僅要滿足強度要求，而且要具有足夠的斷裂韌性，以確保結構件的使用安全可靠。
鋼的斷裂韌性取決于鋼的化學成分、顯微組織和冶金質量。圖1為幾種超高強度鋼的斷裂韌性與抗拉強度的對應關系。可以看出，任一種鋼的斷裂韌性均隨抗拉強度升高而降低。在等強度條件下，馬氏體時效鋼的斷裂韌性高于低合金超高強度鋼，而AFl410鋼的斷裂韌性最高。
應力腐蝕性能 在介質環境中的抗應力腐蝕性能是超高強度鋼的一項重要指標。應力腐蝕滯后斷裂是材料在介質環境中。當外加負荷遠低于材料的過載斷裂應力情況下而發生的沒有明顯宏觀塑性變形的災難性斷裂。超高強度鋼在水介質中的應力腐蝕是氫致開裂過程，它受材料和環境中的氫所控制。裂紋前沿的氫離子得到電子后生成氫原子進入鋼中。由于應力誘導擴散，氫原子向裂紋前沿最大三向應力處聚集，當富集的氫濃度達到并超過某一臨界值時，材料就會產生滯后塑性變形，從而導致應力腐蝕滯后斷裂。
應力腐蝕斷裂過程有裂紋形核、穩定擴展和最終斷裂三個階段。超高強度鋼的應力腐蝕性能受介質環境、外加載荷和材料本身性能的影響。應力腐蝕界限強度因子(KIscc)和裂紋亞臨界擴展速率(da/dt)是標志材料抗應力腐蝕能力的主要指標。表2列出了幾種超高強度鋼的應力腐蝕性能。可以看出低合金超高強度鋼的KIscc值約為17～18MPa%26bull;m吉，而AFl410鋼高達66MPa．m1/2，比低合金超高強度鋼提高3～4倍。通過熱處理工藝改善鋼的顯微組織、細化晶粒尺寸和提高鋼的純凈度是改善鋼的抗應力腐蝕性能的有效措施。
疲勞性能 超高強度鋼在使用過程中發生斷裂的主要形式之一是疲勞破裂。這是由于在交變載荷作用下，裂紋開始萌生后繼續產生穩定擴展，當裂紋尺寸達到材料發生失穩擴展所對應的臨界裂紋尺寸時而發生斷裂。疲勞強度和疲勞裂紋擴展速率(da/dN)是衡量材料疲勞特性的主要指標。一般情況下，當抗拉強度低于某一值時，鋼的強度愈高，其疲勞強度值也愈高。而超高強度鋼當抗拉強度超過1300MPa，影響疲勞強度的主要因素不是鋼的強度而是鋼的塑性和韌性。這是由于鋼中的非金屬夾雜物和其他組織不均勻性使局部區域應力集中所造成的。因為鋼的強度愈高，其裂紋敏感性也愈大，當有很小的非金屬夾雜就形成疲勞源而萌生裂紋。所以，改善和提高超高強度鋼的塑性和韌性是提高疲勞強度的關鍵。表3列出了幾種超高強度鋼在不同受力狀態下的疲勞強度極限。
斷裂力學在疲勞斷裂中的應用進一步提出了損傷容限設計的新概念。就是在容許裂紋存在的條件下，考慮到疲勞裂紋擴展速率而估算疲勞壽命。零件在低應力作用下，裂紋擴展速率受裂紋尖端應力場強度因子K。所控制。裂紋擴展速率與應力強度因子幅度存在有下列半經驗方程式：
式中da/dN%26mdash;%26mdash;裂紋擴展速率，mm/周；△K%26mdash;%26mdash;應力強度因子幅度(MPa%26bull;m1/2)，
C，n%26mdash;%26mdash;可通過試驗確定的材料常數。
機械零件在循環應力作用下的疲勞壽命包括裂紋形核期和裂紋擴展期的總和。影響零件疲勞壽命的因素除材料本身的冶金質量和特性外，零件的表面狀態具有重要的影響。因為超高強度鋼對零件表面缺陷的敏感性高，而且疲勞斷裂又往往起源于零件表面。因此，降低零件表面粗糙度和表面化學熱處理對提高疲勞壽命都有明顯的效果。另外，采用表面噴丸和孔擠壓強化，使表層晶粒細化，增加位錯密度提高表面層屈服強度，并且使表層形成殘余壓應力，從而有效地延長零件使用壽命。
生產工藝 (1)冶煉。采用真空冶煉工藝提高鋼的純凈度是改善超高強度鋼性能的重大技術措施。真空冶煉主要是降低鋼中的氣體和非金屬夾雜物含量。40CrNi2MoA鋼采用真空冶煉，使鋼中氫、氧和氮含量比電弧爐冶煉分別降低50％、85％和70％。由于冶金質量改善，從而使鋼的斷裂韌性明顯地提高。圖2為18Ni馬氏體時效鋼采用三種不同的冶煉工藝時，斷裂韌性隨屈服強度的變化規律。可以看出，在同一強度水平時，二次真空冶煉鋼的斷裂韌性最高。
(2)夾雜物形態控制。控制夾雜物形態能有效地改善超高強度鋼的斷裂韌性。為了提高斷裂韌性首先要對硫和磷要有嚴格的限制，采用冶煉工藝要最大限度地降低鋼中硫和磷含量。如圖3所示，16Ni10Co14Cr2Mo1鋼的硫含量從O.005％降低到O.001％，其沖擊功提高一倍以上。硫在鋼中以MnS形式存在，經高溫變形呈條狀，則嚴重降低鋼的橫向塑性。如40CrNi2MoA鋼在降低硫含量的基礎上加入鈣(鈣/硫=3)，則改變夾雜物的形態，形成CaS球狀夾雜物，從而可提高斷裂韌性25％～30％。
16Ni10Co14Cr2Mo1鋼加入稀土金屬鑭對提高斷裂韌性取得了明顯的效果。鋼中加入適量鑭，夾雜物的組成由Crs轉變為La2O2S，雖然夾雜物的體積百分數不變，但夾雜物的直徑加大，夾雜物的間距增加，其斷裂韌性由128MPa%26bull;m1/2提高到196MPa%26bull;m1/2。另外，在鋼中加入微量鈦，形成Ti2CS細小夾雜物，由于在承受載荷條件下，增加了空穴生核阻力，在較大的應變條件下才會發生空穴體積長大，從而提高了鋼的斷裂韌性。
(3)熱處理。改變熱處理工藝是提高斷裂韌性經常采用的一種有效手段。超高強度鋼采用1200℃高溫淬火，鋼中奧氏體晶粒尺寸增大，顯微組織中板條馬氏體量增多，馬氏體板條邊界形成有殘留奧氏體薄膜。這些因素都能使鋼的斷裂韌性提高。但是由于粗大晶粒降低沖擊韌性，因而在生產中難以推廣應用。
等溫淬火是經常采用的一種超高強度鋼熱處理工藝。采用不同的等溫溫度可獲得下貝氏體或下貝氏體與馬氏體混合組織。這種顯微組織在受力條件下裂紋在邊界形核并穿過晶體擴展，當經過界面時裂紋擴展改變方向，使消耗能量增多，斷裂韌性提高。如表4所示，40CrNi2Si2MoVA鋼采用250～300℃等溫淬火，斷裂韌性提高23％，應力腐蝕界限強度因子提高10％。
(4)形變熱處理。形變熱處理是將變形強化與相變強化相結合的綜合強化工藝。長期以來，形變熱處理已經廣泛用于提高超高強度鋼的強度和韌性。通常多采用高溫形變熱處理，即在奧氏體再結晶溫度以上進行形變，隨后淬火得到馬氏體組織，再進行回火處理。由于形變后淬火形成細小馬氏體，位錯密度明顯增加，并加速合金碳化物彌散析出。因而不僅強度提高，而且主要是塑性和韌性明顯改善。
低溫形變熱處理是將鋼加熱到奧氏體溫度后，急冷到亞穩奧氏體區(500～600℃)進行變形加工，隨后淬火的熱處理工藝。該工藝要求鋼的淬透性高，過冷奧氏體在中溫形變區穩定性大。一般形變量在60％以上。形變溫度愈低，形變量增大，則鋼中馬氏體組織更細，位錯密度增加，因此，強化效果更為明顯。4Cr5MoVSi鋼經低溫形變熱處理后，抗拉強度可達到2500MPa以上，疲勞強度極限提高20％～26％。
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