Описание стали 40Х

Сталь 40Х необходима для изготовления частей механизмов, первыми принимающих на себя нагрузку в работе, включая компоненты для заводов по добыче нефти, газа и атомной энергии. Конечный продукт — ведущие составляющие стальных балок для железных дорог и эстакад.

Общее описание стали 40Х

Основа стали 40Х — железоуглерод с примесью хрома, с запасом сопротивления окислению и действию воды, поверхностному трению и изнашиванию.

Расшифровка стали 40Х

Сокращение представляет собой обозначение главного легирующего вещества — углерода в процентном соотношении от 0,36 до 0,40%. Число 40 берется по верхнему порогу — 0,40%.

Так как после него цифры отсутствуют, его содержание составляет до 1,1% от общего состава.

Виды поставки материала 40Х

По форме поставки металлопроката покупателю для данной стали различают:

• поковки;
• прокат (сортовой и фасон), полосы, листы;
• трубы и стыковочные части для них;
• стальную проволоку низкоуглеродистую;
• пруток шлифованный или калиброванный, серебрянка;

Это могут быть как плоские полотна всевозможных размеров, так и полые изделия заданной длины с круглым профилем поперечного сечения. Наиболее удобным для транспортировки и хранения считается прокат. Перед его эксплуатацией требуется выравнивание на стане.

Химический состав стали 40Х по ГОСТ 4543-71

Кроме стали и хрома в составе сплава присутствуют марганец и кремний (содержание до 0,80%). Допускается концентрация сопутствующих примесей до 0,25% для фосфора, никеля и меди, до 0,05% для серы и мышьяка.

Вид примеси и объемная концентрация в стали зависят от местонахождения рудника и в минимальных количествах не влияют на полезные свойства сплава.

Химический состав стали 40Х по ГОСТ 4543-2016

Документ регламентирует содержание в расплаве кремния и марганца (до 0,40%), хрома (до 0,80%) и никеля (до 1,10%). Примеси могут быть представлены вольфрамом и молибденом (до 0,20%), ванадием и титаном (до 0,05%), что напрямую зависит от типа руды.

Следовые количества бора и алюминия не запрещены стандартом, допустимое содержание не указывается.

Твердость по Бриннелю ГОСТ 4543-2016

В тесте на вдавливание индентора сталь показывает результат в 217 единиц при применении стального шарика для сплавов с твердостью более 450 условных единиц.

В стандарте используется продукция, подвергшаяся отжигу и высокому отжигу, а также прокат после горячей обработки, ковки и отпуска. Срез изделия — от 5 мм и более.

Применение стали 40Х

Этот вид стали используется для изготовления различных комплектующих.

Для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок

Форма поставки — кусковой металл, прошедший горячее штампование или прокатные заготовки. Сплав сохраняет структуру и свойства при температуре окружающей среды -40…+450°С.

При использовании для блоков и стволов арматуры, нижний температурный порог составляет -30°С. Допускаются к применению заготовки, улучшенные прокаливанием и высоким отпуском, не подвергавшиеся сварке.

Для крепежных деталей арматуры

Нижняя граница допустимой температуры среды составляет -60…-40°С. Каждый образец продукции подвергается испытанию по Шарпи на удар маятникового копра в месте напротив надреза. Результат считается положительным, если показатель вязкости к действию ударной нагрузки равен или превышает 300 кДж/м.

Для изготовления шпинделей и штоков

Материал поставляется в форме сортового проката. Конечный продукт допускается к использованию в температурных пределах -40…+450°С при условии прокаливания.

Для деталей арматуры и пневмоприводов, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур

Металл деталей теряет свои свойства и не рекомендован к применению при температуре ниже -60°С. Не допускается использовать детали сечением более 30 мм и прочностью менее 1000 Н. Требуются два этапа обработки — прокаливание и отпуск.

Для изготовления основных деталей арматуры атомных станций

Сплав поставляется в виде кускового металла, обработанного горячим штампованием или в форме крепежных изделий. Применение конечного продукта при температуре свыше +500°С не допускается.

Стойкость стали 40Х против щелевой эрозии

Отношение скорости износа структуры стали 40Х под воздействием эрозии к стали вида 12X18H10T (принятой за единицу) составляет 4 балла, что характеризует ее как сталь группы сниженной стойкости.

Механические свойства по ГОСТ 4543-2016

Документ устанавливает требования к измеряемым свойствам железоуглеродных компонентов при +10…+35°С. Образцы должны быть подвергнуты термообработке (возможно ее проведение на этапе заготовки с диаметром в 25 мм).

Сталь прокаливается при +860°С, для охлаждения используется масляная среда. Требуется отпуск (на второй стадии охлаждение производится как в воде, так и в масле).

Для конечного продукта устанавливаются следующие показатели:

• максимальный уровень текучести — 785 Н/мм²;
• временное сопротивление — 980 Н/мм²;
• среднее удлинение (приращение длины после разрыва) — 10%;
• среднее сужение (приращение площади) — 45%;
• поглощаемая механическая энергия при ударных нагрузках — 59 Дж/см².

ГОСТ регулирует применение продукции только в случае отделки поверхности легированной хромом сталью. Использование изделия возможно лишь в конструкциях общего назначения.

Механические свойства по ГОСТ 4543-71 при нормальной температуре

В нормальных температурных условиях пределы составляют:

• максимальный уровень текучести — 785 Н/мм²;
• временное сопротивление — 980 Н/мм²;
• среднее удлинение — 10%;
• среднее сужение — 45%;
• поглощаемая механическая энергия при ударных нагрузках — 59 Дж/см².

Документ регламентирует требования к продукции, прошедшей ковку и горячий прокат, с диаметром или толщиной сечения не более 250 мм. Прокат заранее калибруется, его поверхность подвергается обработке легированной сталью, свойства улучшаются обработкой высокими температурами.

Механические свойства в зависимости от сечения

Минимальное сечение изделия от 101 до 200 мм показывает 655 МПа сопротивления давлению до момента разрушения образца, 15% удлинения и 45% сужения при кручении до появления трещин в материале. Максимальная твердость — 248 условных единиц.

При увеличении объема детали до 500 мм в сечении, сопротивление составляет 590 МПа, относительные показатели удлинения и сужения изменяются незначительно (14% и 38% соответственно), твердость снижается до 215 единиц.

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

Минимальная температура отпуска равна +200°С, максимальная +600°С.

Максимальные значения проявляются при меньшей температуре: сопротивление нагрузке на образец 1760 МПа, относительное удлинение и сужение — 8% и 35% соответственно. Твердость составляет 552 единиц.

При увеличении температуры отпуска до +600°С, сопротивление — 860 МПа, удлинение до разрушения — 14%, сужение — 60% от первоначального объема.

Показатели рассмотрены для образцов после прохождения прокаливания при +850°С.

Механические свойства при повышенных температурах

При температуре использования, равной +200°С, свойства образцов составляют: 880 МПа сопротивления в условиях повышенной нагрузки, 15% удлинения и 42% — сужения. До деформации металл способен поглотить 118 Дж механической энергии на 1 см².

В температуре применения деталей, равной +500°С, показатели составляют: 490 МПа сопротивления давлению и нагрузке, 21% возможного удлинения и 80% сужения образца до разрушения структуры и появления внутренних трещин. Вязкость при деформации — 78 Дж на 1 см².

Для образца, прошедшего ковку и отжиг, с диаметром 10 мм при длине 50 мм, скорость деформирования принимается равной 5 мм в минуту, деформации — 0,002 единицы обратного времени.

В таких условиях при температуре среды +700°С временное сопротивление образца воздействию нагрузки составит 175 МПа, удлинение и сужение — 33% и 78% соответственно.

При увеличении температуры до +1200°С сопротивление составит 24 МПа, относительное удлинение и сужение до разрушения — 70% и 100%.

В условиях деформирования и деформации способность структуры поглощать механическую энергию ударной нагрузки не устанавливается стандартом.

Ударная вязкость KCU

Способность структуры стали 40Х сопротивляться ударным нагрузкам после прокаливания при +850°С и отпуске при +650°С составляет в температуре среды использования -70°С 85 Дж до момента разрушения. Максимальное сопротивление проявляется при +20°С окружающей среды — оно составляет 160 Дж на 1 см².

При прокаливании при +850°С и отпуске при 580°С значения сопротивления составят: 54 Дж в температурных условиях до -70°С и 91 Дж на 1 см² металла при +20°С.

Показатели достигаются благодаря добавлению хрома, структура становится надежнее и устойчивее.

Термообработка ГОСТ 4543-71

Для хромированного железоуглерода не требуется вторая закалка, температура первой составляет +860°С. В качестве среды для последующего охлаждения используется масло. Отпуск осуществляется с применением водной или масляной среды, температура равна +500°С.

Размер заготовки для термообработки в сечении не должен быть менее 25 мм.

Критический диаметр после закалки в различных средах

При максимальной твердости от 43 до 46 HRC3 и содержании мартенсита не более 50% диаметр составляет от 16 до 76 мм.

При критической твердости в диапазоне от 49 до 53 HRC3 и количестве мартенсита, равном 90%, диаметр равен от 6 до 58 мм.

В обозначенных пределах прут с сечением цилиндрической формы прокаливается насквозь.

Температура критических точек

Для легированной хромом стали критические точки (в °С):

• 743 — в начале перекристаллизации (превращение перлита в аустенит);
• 815 — в конце перекристаллизации и переходе в однофазное аустенитное состояние;
• 730 — в перекристаллизации при переходе бета-железа в альфа-железо;
• 693 — в момент перехода аустенита в перлит (окончание перекристаллизации);
• 325 — последней точке Чернова.

Предел выносливости стали 40Х

Максимальная выносливость образца в момент сгиба металла составляет 509 МПа при временном сопротивлении 960 МПа. Выносливость при кручении до момента разрушения — 240 МПа при сопротивлении 690 МПа. Закалка с последующим отпуском незначительно увеличивает показатели.

Физические свойства стали 40Х по ГОСТ 4543-2016

Регламентированная плотность 7,85 г/см³ носит характер рекомендации, представляет собой типичную величину для этого вида стали.

Технологические свойства марки 40Х по ГОСТ 10702-2016

Стандарт устанавливает возможные температуры применения по сортаменту производимых изделий из стали:

• гайки и шайбы: от -40°С до +450°С;
• шпильки: от -40°С до +425°С.

Аналоги и номенклатура

Составы стали с такими же свойствами (повышенная надежность и жизнестойкость в конструкциях), присутствуют в России (взаимозаменяемы) и в иностранных странах.

Отечественные

Возможность замены на материал родственного состава должна анализироваться в каждом случае, универсального решения не существует.

Отечественные заменители:

1. 38ХА. Углерода — 0,38%, хрома — до 1,5%, «А» — обозначение сплава стандарта высокого качества;
2. 40ХН. Углерода — 0,40%, легирование 1,1%-м хромом и 1,5%-м никелем;
3. 40ХС. Количество углерода и хрома остается тем же, дополнительный легирующий элемент — кремний в концентрации 1,2-1,5%
4. 40ХФА. Углерод — 0,40%, легирующий элемент — ванадий 1,1%.«А» — железоуглеродный сплав высокого стандарта качества. Используется при температурах до +400°С

Применение: изготовление заготовок и конечных продуктов усиленной износостойкости (шестерней, опор, валов, осей), в т.ч. для предприятий по добыче газа и нефти (трубопроводы, корпуса).

Зарубежные

Аналоги включают железоуглеродные сплавы с 0,40%-м содержанием углерода и легированием хромом следующих маркировок:

• Соединенные Штаты Америки: 5135, 5140, 5140 H (51 — содержание хрома 1,03%, последние две цифры — содержание углерода, умноженное на сто, Н — интервал содержания углерода расширен);
• Германия: 41Cr 4, 41Cr S 4, 42Cr 4 (первые две цифры — содержание углерода, умноженное на сто, Cr — легирована хромом, S — обозначение нормального содержания углерода);
• Япония: SCr 435, SCr 435 H, SCr 440, SCr 440 H (S — маркировка качественной стали, Cr — легирована хромом, 4 — порядковый номер стали, последние две цифры — содержание углерода, умноженное на сто);

Иностранная маркировка похожа: содержание углерода, указание легирующего компонента, при необходимости добавляется обозначение качества стали.

Дополнительные характеристики стали 40х

К дополнительным характеристикам отнесены требования материала к сварке и ковке, предрасположенность к появлению трещин, участков ослабления структуры и изломам.

Сварка

Варится и режется сложно. Выдерживает сварку электрической дугой и электрошлаковую, а также точечную контактную. Обязательное условие — термоулучшение после окончания работ для увеличения прочности соединения.

Ковка

Начальная температура для поковки равна +1250°С, окончания +800°С. Детали с площадью среза менее 350 мм в условиях естественной природной среды охлаждаются.

Флокеночувствительность

Во время отливки деталей и при деформации в условии высоких температур могут образовываться внутренние трещины. Проблема решается строгим соблюдением температурного режима.

Склонность к отпускной хрупкости

Предрасположена к образованию межкристальных изломов по границам бывших зерен аустенита. Вероятность проявления возрастает при отклонении от технологий термообработки.

Виды обработки

Двойная термическая обработка включает закалку на мартенсит (в масляной среде), последующее охлаждение и отпуск для снижения внутреннего напряжения стали.

Виды охлаждения:

• в воздушной среде (большеразмерные комплектующие);
• в масляной среде (повышает качество изделия на выходе).

Использование водной среды может привести к появлению брака (угара металла, деформации, окалин).

Виды высокого отпуска:

• с использованием масла в качестве среды (температура ванны составляет +500°С);
• с применением воздуха (+200°С).

Дополнительно может проводиться последующая нормализация.

Преимущества и недостатки

Для работы с конструкциями повышенной прочности хромированный железоуглерод подходит за счет твердости структуры, устойчивости к жару и воде, окислению компонентами окружающей среды, резкому повышению или понижению температур.

Возможно применение в агрессивных средах, отсутствует потребность в очищении поверхности изделия для установки под открытым небом.

Предрасположена образовывать внутренние трещины, изломы и надломы в местах стыков при несоблюдении технологического режима в прокаливании. Перед свариванием частей нуждается в прогреве и термоулучшении.

Расшифровка кратких обозначений

Приводятся общепринятые символы и единицы измерения для всех металлов.

Механические свойства

НВ — мера твердости, одна условная единица, равная перемещению конуса на 2 мкм.

Н/мм² — мера напряжения, Ньютон на квадратный метр (для удобства не везде конвертирована в мегапаскали). Кв.см. — квадратные сантиметры.

Физические свойства

Плотность (г/см³, кг/м³) приведена в значении массы стали в одном кубическом сантиметре (метре).