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高強(qiáng)度不銹鋼因其具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性匹配及耐蝕性，在航空航天、海洋工程及能源等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的裝備制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如飛機(jī)的主承力構(gòu)件[1]、緊固件、衛(wèi)星陀螺儀、飛船外殼、海洋石油平臺(tái)、汽車工業(yè)、核能工業(yè)、齒輪和軸承制造等，是未來(lái)裝備部件輕量化設(shè)計(jì)和節(jié)能減排的首選材料。作為承力、耐蝕結(jié)構(gòu)件的重要候選材料之一，如何兼顧超高強(qiáng)韌性及優(yōu)良的服役安全性是此類鋼種未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向[2,3]。

1、高強(qiáng)度不銹鋼的發(fā)展歷程

為了滿足航空航天、海洋工程對(duì)高性能耐蝕結(jié)構(gòu)鋼的需求，美國(guó)CarnegieIllionois鋼鐵公司于1946年成功研發(fā)了第一代馬氏體沉淀硬化不銹鋼——Stainless W。在Stainless W鋼合金體系的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入Cu、Nb元素并去除Al、Ti元素。美國(guó)Armco鋼鐵公司于1948年開(kāi)發(fā)了17-4PH鋼[4]，因其良好的強(qiáng)韌性及耐蝕性，除應(yīng)用于F-15飛機(jī)起落架構(gòu)件外，目前亦廣泛應(yīng)用于制造緊固件及發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，但其冷變形能力較差。為了減少對(duì)橫向力學(xué)性能不利的高溫δ-鐵素體，通過(guò)降低鐵素體形成元素Cr的含量并增加Ni元素含量，研發(fā)出了15-5PH鋼[5,6,7]，該鋼克服了17-4PH鋼橫向塑韌性差的缺點(diǎn)，現(xiàn)已應(yīng)用于制造艦船及民用飛機(jī)等承力部件。20世紀(jì)60年代初，國(guó)際鎳公司發(fā)明了馬氏體時(shí)效鋼，為發(fā)展高強(qiáng)度不銹鋼引入了馬氏體時(shí)效強(qiáng)化這一概念，從而拉開(kāi)了馬氏體時(shí)效不銹鋼發(fā)展的帷幕。1961年美國(guó)Carpenter Technology公司首先研制了含Mo的馬氏體時(shí)效不銹鋼Custom450；此后，在1967和1973年先后研制了PyrometX-15、Pyromet X-12。在此期間，美國(guó)也先后研制了AM363、In736、PH13-8Mo、UnimarCR等；Martin等[8,9]則分別于1997年和2003年獲得了Custom465和Custom475鋼的發(fā)明專利，并應(yīng)用在民航飛機(jī)上。英國(guó)研發(fā)了FV448、520、520(B)、520(S)等高強(qiáng)度不銹鋼牌號(hào)。德國(guó)于1967、1971年研制了Ultrafort401、402等。前蘇聯(lián)除仿制和改進(jìn)美國(guó)鋼號(hào)外，還獨(dú)立研究了一系列新鋼種，常見(jiàn)的鋼有0Х15Н8Ю、0Х17Н5М3、1Х15Н4АМ3、07Х16Н6等以及Co含量較高的鋼號(hào)，如00Х12К14Н5М5Т、00Х14К14Н4М3Т等。2002年美國(guó)QuesTek公司承擔(dān)美國(guó)國(guó)防部戰(zhàn)略環(huán)境研究與發(fā)展計(jì)劃(SERDP)污染防止項(xiàng)目，通過(guò)材料基因組計(jì)劃設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了新型飛機(jī)起落架用超高強(qiáng)度不銹鋼Ferrium?S53[10]，于2008年底發(fā)表公開(kāi)AMS5922宇航標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)errium?S53強(qiáng)度約1930 MPa，斷裂韌度(KIC)達(dá)到55 MPa·m1/2以上，在2017年增編入美國(guó)的MMPDS主干材料手冊(cè)中，該材料已經(jīng)成功應(yīng)用于美國(guó)的A-10戰(zhàn)機(jī)及T-38飛機(jī)，是下一代艦載機(jī)起落架的首選材料。

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始高強(qiáng)度不銹鋼的研制工作，典型牌號(hào)有00Cr13Ni8Mo2NbTi、00Cr12Ni8Cu2AlNb、00Cr10Ni10Mo2Ti1等10余種[11]。2002年鋼鐵研究總院設(shè)計(jì)并研制出一種新型的超高強(qiáng)韌性的不銹鋼材料，是我國(guó)自主研發(fā)并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Cr-Ni-Co-Mo合金體系的超高強(qiáng)度不銹鋼USS122G，其強(qiáng)度超過(guò)1900 MPa，KIC達(dá)到90 MPa·m1/2以上[12]。目前該材料已經(jīng)突破了直徑300 mm大規(guī)格棒材制備的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，在我國(guó)航空航天裝備制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、超高強(qiáng)度不銹鋼的研究現(xiàn)狀

超高強(qiáng)度不銹鋼良好的綜合服役性能主要包括超高強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性及韌性，與傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)鋼及二次硬化型超高強(qiáng)度鋼相比，除具備優(yōu)良的綜合力學(xué)性能以外，還具有優(yōu)異的耐腐蝕、抗應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞性能。為了提高上述服役性能，揭示其背后的影響因素及機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞超高強(qiáng)度不銹鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂以及氫脆行為進(jìn)行了廣泛研究。

2.1 高強(qiáng)度不銹鋼中的合金設(shè)計(jì)及強(qiáng)化相

超高強(qiáng)度不銹鋼的典型室溫組織包括：細(xì)小的板條馬氏體基體，適量的殘余(或逆轉(zhuǎn)變)奧氏體以及彌散分布的沉淀強(qiáng)化相。板條狀馬氏體由于其自身的高位錯(cuò)密度，具有很高的強(qiáng)度。亞穩(wěn)殘余(逆轉(zhuǎn)變)奧氏體可以緩解裂紋尖端的應(yīng)力集中從而提高材料韌性。時(shí)效處理過(guò)程中析出的納米級(jí)強(qiáng)化相可以進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度，按照析出相的合金組成可將其分為3類，即碳化物(MC、M2C)、金屬間化合物(NiAl、Ni3Ti)以及元素富集相(ε相、α'相)等，在超高強(qiáng)度不銹鋼中，沉淀相的強(qiáng)化潛力取決于沉淀相的本質(zhì)及其尺寸、數(shù)密度、體積分?jǐn)?shù)及空間分布情況等。能否獲得最優(yōu)性能主要取決于對(duì)沉淀相析出行為的熱、動(dòng)力學(xué)特性的掌控，進(jìn)而指導(dǎo)合金成分的調(diào)控以及熱處理工藝的制定。典型超高強(qiáng)度不銹鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1[13,14,15,16,17,18,19,20,21]和表2[13,14,15,16,17,18,19,20,21]。從表中可以看出，第一代超高強(qiáng)度不銹鋼(15-5PH、17-4PH)強(qiáng)度級(jí)別較低(1200~1400 MPa)，此類鋼中的主要強(qiáng)化相為元素富集相，如ε-Cu相；第二代高強(qiáng)度不銹鋼(PH13-8Mo、Custom465)中，C含量普遍較低(不大于0.05%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）,主要強(qiáng)化方式為NiAl和Ni3Ti等金屬間化合物強(qiáng)化;作為第三代高強(qiáng)度不銹鋼的典型代表Ferrium?S53鋼的誕生得益于材料基因數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)技術(shù),將C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.21%,M2C型碳化物的二次硬化作用使材料性能得到大幅度提升，不同于Ferrium?S53鋼的合金設(shè)計(jì)理念，國(guó)產(chǎn)USS122G鋼采用了兩相復(fù)合強(qiáng)化體系，相比于Ferrium?S53鋼具有更佳的強(qiáng)韌性匹配。