Сталь 40х: характеристики, твердость, применение

Химический состав

Цифра 40 в маркировке свидетельствует о том, что процентное содержание углерода в сплаве колеблется в пределах от 0.36 до 0.44, а буквенное обозначение х указывает на наличие легирующего элемента хрома в количестве не менее 0.8 и не более 1.1 процента. Легирование стали хромом придает ей свойство устойчивости к коррозии в окислительной среде и атмосфере. Говоря другими словами, сталь приобретает нержавеющие свойства. Кроме того, хром определяет структуру сплава, его технологические и механические характеристики.

Остальные химические элементы входят в состав стали х 40 в следующем количестве:

не более 97% железа;
0,5 — 0,8% марганца;
0,17 — 0,37% кремния;
не более 0,3% меди;
не более 0,3% никеля;
не более 0,035% фосфора;
не более 0,035% серы.

Химический состав стали.

Основные показатели химического состава Стали 40Х оговорены в её маркировке – от 0,36 до 0,44%, а буква Х означает присутствие легирующего элемента – хрома, доля которого в составе от 0,8 до 1,1%. Ниже приведён полный состав:

железо (Fe) – до 97%;
кремний (Si) – от 0,17 до 0,37%;
марганец (Mn) – от 0,5 до 0,8%;
никель (Ni) – до 0,3%;
сера (S) – до 0,035%;
фосфор (P) – до 0,035%;
хром (Cr) – от 0,8 до 1,1%;
медь (Cu) – lдо 0,3%;

Существующие ГОСТы на Сталь 40Х.

Ввиду большого разнообразия существующего проката и заготовок из Стали 40Х, качество и характеристики всего выпускаемого ассортимента регламентируются следующими ГОСТами:

круг Саль 40Х ГОСТ 2590-2006 (ГОСТ 2590-88) круг (пруток) стальной горячекатаный;
круг Сталь 40Х ГОСТ 7417-75 круг (пруток) калиброванный;
круг Сталь 40Х ГОСТ 14955-77 круг (пруток) со специальной отделкой поверхности (серебрянка);
шестигранник Сталь 40Х ГОСТ 2879-2006 (ГОСТ 2879-88) шестигранник горячекатаный;
шестигранник Сталь 40Х ГОСТ 8560-78 шестигранник калиброванный;
лист Сталь 40Х ГОСТ 19903-74 прокат листовой горячекатаный;

Сталь 40Х. Механические свойства.

ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	Сечение, мм	КП	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)	НВ, не более
4543-71	Пруток. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500 °С, вода или масло	25		780	980	10	45	59
8479-70	Поковки:	500-800	245	245	470	15	30	34	143-179
нормализация	300-500	275	275	530	15	32	29	156-197
закалка, отпуск	500-800	275	275	530	13	30	29	156-197
нормализация	до 100	315	315	570	17	38	39	167-207
100-300	14	35	34
закалка, отпуск	300-500	315	315	570	12	30	29	167-207
500-800	11	30	29
нормализация	до 100	345	345	590	18	45	59	174-217
100-300	345	17	40	54
300-500		14	38	49
закалка, отпуск	до 100	395	395	615	17	45	59	187-229
100-300	15	40	54
300-500	13	35	49

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ4 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)	HB
Закалка 840-860 °С, вода, масло. Отпуск 580-650 °С, вода, воздух.
101-200	490	655	15	45	59	212-248
201-300	440	635	14	40	54	197-235
301-500	345	590	14	38	49	174-217

Механические свойства Стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

Температура отпуска, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)	HB
200	1560	1760	8	35	29	552
300	1390	1610	8	35	20	498
400	1180	1320	9	40	49	417
500	910	1150	11	49	69	326
600	720	860	14	60	147	265

Механические свойства при повышенных температурах

Температура испытаний, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)
Закалка 830 °С, масло. Отпуск 550 °С
200	700	880	15	42	118
300	680	870	17	58
400	610	690	18	68	98
500	430	490	21	80	78
Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм кованый и отожжённый. Скорость деформирования 5 мм/мин, скорость деформации 0,002 1/с
700	140	175	33	78	–
800	54	98	59	98
900	41	69	65	100
1000	24	43	68	100
1100	11	26	68	100
1200	11	24	70	100

Предел выносливости

σ-1, МПА	J-1, мПа	n	Состояние стали
363	240	106	σв=690 МПа
470	106	σв=690 МПа
509	5*106	σ0,2=690 МПа, σв=690 МПа
333	σв=690 МПа
372	Закалка 860 °С, масло, отпуск 550 °С

Ударная вязкость Стали 40Х KCU (Дж/см.кв.)

Т= +20 °С	Т= -25 °С	Т= -40 °С	Т= -70 °С	Термообработка
160	148	107	85	Закалка 850 °С, масло, отпуск 650 °С
91	82	54	Закалка 850 °С, масло, отпуск 580 °С

Прокаливаемость стали по ГОСТ 4543-71

Расстояние от торца, мм	Примечание
1,5	4,5	6	7,5	10,5	13,5	16,5	19,5	24	30	Закалка 860 °С
20,5-60,5	48-59	45-57,5	39,5-57	35-53,5	31,5-50,5	28,5-46	27-42,5	24,5-39,5	22-37,5	Твердость для полос прокаливаемости, HRC

Физические свойства Стали 40Х

T (Град)	E 10- 5 (МПа)	a 10 6 (1/Град)	l (Вт/(м·град))	r (кг/м3)	C (Дж/(кг·град))	R 10 9 (Ом·м)
20	2,14			7820		210
100	2,11	11,9	46	7800	466	285
200	2,06	12,5	42.7	7770	508	346
300	2,03	13,2	42.3	7740	529	425
400	1,85	13,8	38.5	7700	563	528
500	1,76	14,1	35.6	7670	592	642
600	1,64	14,4	31.9	7630	622	780
700	1,43	14,6	28,8	7590	634	936
800	1,32		26	7610	664	1100
900			26,7	7560		1140
1000			28	7510		1170
1100			28,8	7470		120
1200				7430		1230

σв	временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), МПа
σ0,05	предел упругости, МПа
σ0,2	предел текучести условный, МПа
δ5, δ4, δ10	относительное удлинение после разрыва, %
σсж0,05 сж	предел текучести при сжатии, МПа
ν	относительный сдвиг, %
sв	предел кратковременной прочности, МПа
ψ	относительное сужение, %
KCU	ударная вязкость, определенная на образце с концентраторами соответственно вида U и V, Дж/см2
sT	предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), МПа
HB	твердость по Бринеллю
HV	твердость по Виккерсу
HRCэ	твердость по Роквеллу, шкала С
HRB	твердость по Роквеллу, шкала В
HSD
ε	относительная осадка при появлении первой трещины, %
Jк	предел прочности при кручении, максимальное касательное напряжение, МПа
σизг	предел прочности при изгибе, МПа

Достоинства и недостатки стали марки 40х

Положительные стороны:

Высокая прочность, твердость.
Устойчивость к образованию ржавчины.
Высокий предел текучести.
Устойчивость к механическим воздействиям.

Отрицательные стороны:

Возможность образования флокенов. Этот недостаток свойственен многим видам сталей.
Высокая отпускная хрупкость. После выполнения процесса закалки структура становится уязвимой к механическим нагрузкам.
Плохая свариваемость. Из-за этого возникает сложности в изготовлении металлоконструкций из данного сплава.
Высокий риск образования трещин, пустот внутри структуры при изготовлении отливок из стали.

Чтобы сделать сплав более восприимчивым к разным видам обработки, промышленными предприятиями проводится вакуумизация. Она позволяет снизить количество вредных компонентов состава. Готовые детали подходят для применения при низких температурах, на открытом воздухе.

Стальные листы (Фото: Instagram / polezhaeva999)

Основные сведения

Нержавеющие стали, которые можно также отнести к более широкому классу коррозионностойких сталей — материалы, обладающие высокой стойкостью к коррозии во влажной атмосфере и слабоагрессивных водных растворах. Коррозией называется разрушение металлов и сплавов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с внешней средой. Коррозионная стойкость — способность материала сопротивляться коррозионному воздействию среды.

Основой нержавеющих сталей является железо. Основным легирующим элементом, обеспечивающим стойкость к коррозии, является хром (Cr). Также в состав указанных материалов обычно входят углерод (C), кремний (Si), марганец (Mn), сера (S) и фосфор (P). Многие из нержавеющих сталей содержат в качестве легирующих элементов никель (Ni), который улучшает коррозионную стойкость и жаропрочность стали; молибден (Mo), ниобий (Nb), которые повышают рабочую температуру стали; кобальт (Co), повышающий износостойкость материала.

Конструкционные износостойкие стали

Под термином «конструкционные стали» подразумевается ряд сплавов, используемых в изготовлении разнообразных узлов, деталей, конструкций и механизмов в машиностроении и строительной области. Конструкционные стали отличаются от других типов особой прочностью.

Конструкционные стали имеют несколько классификаций. В частности их можно разделить по содержанию углерода и добавок на углеродистые и легированные; по способам обработки (цементуемые и улучшаемые), по предназначению – пружинные, подшипниковые. Особую категорию таких сталей составляют износостойкие сплавы, разрабатываемые для работы в экстремально тяжелых условиях, где присутствует высокий абразивный износ, износ в результате скольжения и ударов.Эти сплавы разрабатываются специально для механизмов и оборудования, работающих в горно-добывающей и лесопильной промышленности, на переработке отходов и металлолома, в строительстве дорог, почвообработке и т. д.

Износостойкие стали должны обладать повышенной твердостью. Этого добиваются различными способами. Как правило, для получения данного типа сплавов используются разнообразные легирующие элементы, в частности, марганец. Из отечественных сплавов такой сталью является высокомарганцовистая сталь Г13. Она имеет от 1 до 1,4% углерода и от 12 до 14% марганца в своем составе. Поскольку эта сталь относится к аустенитным, ее характерной особенностью является только стойкость к интенсивному наклепу.

Шарикоподшипниковые стали предназначены для работы в условиях повышенного истирающего износа, возникающего вследствие трения скольжения и трения качения. Эти стали содержат приблизительно 1% углерода и до 1,5% хрома. К таким сплавам относятся отечественные стали ШХ6, ШХ9, ШХ15.

Особняком стоят высокопрочные износостойкие легированные военные стали типа А3 и стали производства концерна SSAB Oxelosund AB, в частности, линейка сплавов, объединенных общим названием Hardox. Так же, как и вышеописанные марки шарикоподшипниковых сталей, Хардокс-стали имеют в своем составе высокое содержание хрома. Например, в марке Hardox 500 от 1 до 1,5% в зависимости от толщины листа. Однако содержание углерода в этих сплавах намного ниже. Отдельные марки этого бренда включают всего 0,2% С. Концентрация углерода влияет на такие характеристики сталей, как твердость и прочность. Несмотря на то, что сплавы Hardox относятся к низкоуглеродистым, они, тем не менее, являются высокопрочными. К примеру, сталь Hardox 450 обладает твердостью в 425-475 НВ и прочностью на разрыв – 1400 МПа. Производитель добивается этого, применяя различные инновационные методики, например, миролегирование, продувку инертными газами в ковше, а также выбирая исходное сырье по высоким стандартам. На заводах концерна практикуется, в частности, использование руды с низким содержанием серы. Сравнительные испытания на Уралвагонзаводе иностранных и Российских сталей в рамках программы импортозамещения показывают, что ХАРДОКС многократно проигрывает А3.

Лабораторные испытания на истирание и износ не дают ХАРДОКСУ эксплуатироваться более 3 месяцев, тогда как А3 практически вечен.

В отечественной практике используется в качестве износостойкого сплава также сталь с высоким содержанием углерода и кремния – так называемая графитизированная сталь. Количество этих двух элементов варьирует от 1,3 до 1,75%. За счет присутствия кремния часть углерода образует графит. Эти сплавы применяются для выплавки валов, производства штампов, калибров, пресс-форм.

Высокомарганцевые стали наподобие марки Г13 уступает по твердости (эта характеристика составляет примерно 200-250 НВ), но относится к недорогим вариантам износостойких сталей. Максимальную износостойкость этот сплав приобретает после закалки при температуре от 1000 до 1100 °С и охлаждении на воздухе. Такая сталь может быть применена для производства звеньев тракторных гусениц, крестовин, устанавливаемых на железных дорогах.

Использование износостойких сталей является весьма выгодным и перспективным в любой отрасли, где детали, узлы и другие изделия из стальных сплавов подвергаются повышенным нагрузкам. Поэтому с каждым днем спрос на такие стали неуклонно и стремительно растет.

Сферы применения

Благодаря высоким механическим свойствам, сталь 40Х используют для изготовления деталей повышенной прочности. К их числу относятся:

оси и полуоси;
валы;
валы-шестерни;
плунжеры;
штоки;
коленвалы;
кольца;
щпиндели;
рейки;
болты;
губчатые венцы;
втулки и пр.

Проведение термической обработки позволяет значительно повысить прочность и другие характеристики металла. После термообработки материал может применяться для изготовления разверток, насадок и корпусов метчиков. Также из такого сплава производят конструкции, эксплуатируемые при экстремально низких температурах, к примеру, элементы железнодорожных мостов.

Магнитные свойства стали 40Х делают ее незаменимой при производстве столовых приборов, кастрюль, сковородок и другой посуды. Ее можно использовать для приготовления пищи на индукционных плитах.

Особенности проведения термообработки

Термообработка подразумевает выполнение следующих действий:

отжига;
закалки;
отпуска;
нормализации;
старения;
криогенной обработки.

Для закалки изделия на 4 часа помещают в масло, нагретое до 860°С. Отпуск производят на воздухе при температуре 500°С. После такой обработки сталь приобретает высокую твердость, прочность на разрыв и ударную вязкость.

Преимущества и недостатки

Ознакомившись с характеристиками стали 40Х, применением и основными качествами, можно приступать к рассмотрению ее преимуществ и недостатков. К числу первых относится следующее:

высокие антикоррозийные свойства;
устойчивость к температурным перепадам;
отличные показатели прочности.

Изделия, изготовленные из стали этой марки, очень твердые и прочные. Поэтому в процессе эксплуатации они способны выдерживать значительные нагрузки без структурных разрушений.

Как и любой другой сплав, 40Х имеет и свои недостатки. Это трудносвариваемый металл, отличающийся чувствительностью к образованию флокенов и склонностью к отпускной хрупкости.

Зарубежные аналоги

Аналоги сплава марки 40Х выпускаются и в других странах. Их маркировка отличается от российской, но состав практически идентичен. К числу таких сплавов относятся:

41Cr4, 41Cr54 (Германия);
S140, S140H (Америка);
41Cr4, 42C4 (Франция);
S30A40, S30H40, S30M40 (Великобритания);
SS2245 (Швеция);
41Cr4, 41Cr4KB (Италия);
SCr435-H, SCr440 (Япония);
40H (Польша).

Среди ассортимента сталей, представленного российскими производителями, полных аналогов марки 40Х нет. Но есть металлы, схожие по составу и по своим эксплуатационным характеристикам. К их числу относятся:

45Х;
38ХА;
40ХН;
40ХС;
40ХФ;
40ХР.

Возможность выполнения замены должна определяться только после проведения оценки, и сравнения свойств разных марок сталей.

Применение

В промышленности нашлось широкое применение стали 40х13. Главным образом она используется в среде с повышенной влажности. Содержащийся в ней хром усиливает антикоррозийные свойства, полученные от обычной закалки.

Представленная марка обладает хорошими показателями пластичности: при температуре более 1000 градусов легко поддается деформациям. Данный материал активно применяется при производстве режущего и измерительного инструмента, предметов домашнего обихода.

Характеристики стали 40х13 позволили использовать ее при производстве деталей машин, главным образом подшипников и частей компрессоров. Главное условие использования готовых элементов – температура рабочей среды не должна превышать 400 градусов. В строительстве материал практически не используется, ибо не сваривается.

Производство стали марки 40х

Этапы:

Подготовка и плавка шихты. Нагревание жидкого металла в специальной ванне. На этом этапе происходит окисление железа, образуется его оксид. Одновременно с этим окисляются основные примеси — фосфор, марганец, кремний. Одна из главных задач этапа — удаление фосфора из состава. Для снижения его процентного содержания нужна небольшая температура ванны со шлаком, металлом. В ней должно содержаться определенное количество оксида железа.
Кипение металлической ванны. Температура повышается постепенно. Если нагрев будет происходить быстро, начнется окисление углерода. На этом этапе снижается содержание серы в сплаве.
Раскисление стали. Выполняется двумя способами. Первый — диффузионный. Осуществляется с помощью шлака. На его поверхность погружается измельченный алюминий, ферросилиций, ферромарганец. С помощью раскислителей оксид железа восстанавливается, его процентное содержание в сплаве уменьшается. Второй способ — осаждение. В жидкую сталь вводятся растворимые раскислители — алюминий, ферросилиций, ферромарганец. Железо восстанавливается, образуются сторонние оксиды, которые уходят в шлак.

Последний этап производства — легирование стали. В расплавленный металл вводятся определенные компоненты, которые нужны для изменения его технических характеристик.

Стальной медальон для кошки (Фото: Instagram / gravceh)

Сталь 40Х – характеристики и применение

По данным различных инженерных справочников, в мире существуют несколько сотен марок сталей. Стальной сплав – это материал в основе которого лежит сплав железа и углерода. Для формирования различных свойств в состав сплава добавляют различные химические вещества.

Одни добавки усиливают прочностные характеристики, другие стойкость к износу или коррозии. Благодаря хрому добавленному в расплав характеристики 40Х увеличивают способность стали к термическому упрочнению, стойкость к воздействию корродирующих факторов и абразивному износу.

Расшифровка стали 40Х

Марку 40Х, относят к конструкционным, легированным. В результате того, что в состав стали может входить от 0.36 и 0.44% углерода и от 0.8 и до 1.1% хрома, она становится трудно свариваемой.

То есть, для получения качественного шва необходимо выполнить ряд дополнительных технологических операций. Перед тем как начать сварку, кромки деталей необходимо подогреть до 300 ºC.

После того как шов получен, надо выполнить отжиг.

Полный состав 40Х:

С(углерод)	Si(кремний)	Mn(марганец)	Ni(никель)	S(сера)	P(фосфор)	Cr(хром)	Cu(медь)
0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	до 0,3	до 0,035	до 0,035	0,8-1,1	до 0,3

Химический состав стали 40Х позволяет ее применять для производства деталей с высокими параметрами прочности. К этим деталям относят:

Аналоги

Кстати, при выборе прутка из стали 40Х в качестве основного материала, проектировщик должен помнить о том, что существует возможность применения отечественных аналогов, таких как – 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР. Среди сталей, производимых за рубежом, существуют следующие аналоги как:

37Cr4, 41Cr4, 41CrS4 – Германия;

35Cr, 38CrA, 40Cr, 40CrA – КНР.

Гост 4543-71

При производстве стали изготовители руководствуются нормами ГОСТ 4543-71. Он определяет технические условия на прокат из легированной конструкционной стали. Его нормы распространяются на такие виды проката, как слитки, поковки и пр.

ГОСТ 4543-71 даёт чёткую классификацию конструкционных легированных сталей. В соответствии с ней сталь марки 40Х относится к группе хромистых сталей.

В этом же документе определены параметры качества, то есть, определяет максимально допустимое количество примесей, которые влияют на технические характеристики конструкционной легированной стали. К таким примесям относят серу, фосфор, медь и некоторые другие.

Кстати, в этом же документе определены режимы термической обработки проката.

Термическая обработка стали 40Х

Одной из ключевых характеристик металла является твёрдость, то есть, способность сопротивляться внедрению в него других, более твёрдых материалов. От уровня твердости зависит возможность применения металла при производстве тех или иных деталей машин и механизмов.

Твердость металла оказывает непосредственное влияние на:

Стойкость к износу и ряда других.

Инженер-технолог, подбирая режимы обработки металла из стали 40Х, руководствуется, в том числе и параметрами твёрдости. Для изменения параметра твердости используют термическую обработку.

Кроме того, она необходима для улучшения механических свойств как отдельных деталей, так и конструкции в целом. В состоянии поставки твердость стали 40Х составляет 217 Мпа – по Бринелю. Для её повышения, применяют разные методы термической обработки.

В частности, для 40Х используют следующие способы закалки с применением:

единственного хладагента;

Первый способ подразумевает под собой то, что будет использоваться один тип охладителя (вода, масло и пр.).

Второй, предполагает, то, что после охлаждения заготовки в воде, ее отправляют в масло.

Третий метод основан на том, что на разогретую часть детали, направляют струю охладителя (масло, вода). Этот способ применяют в том случае, если возникает потребность в закалке определённой части детали, например, венца зубчатого колеса. Кроме того, такая технология отличается тем, что в процессе обработки не возникает «паровая» рубашка и это положительно сказывается на качестве закалки.

Для предотвращения этого камеру, в которой происходит нагрев заготовки, насыщают газом, являющейся продуктом сгорания метана.

На самом деле защита заготовки от воздействия атмосферного кислорода – это важная задача.

Кстати, термическую обработку изделий, выполненных из стали марки 40Х, лучше всего проводить в герметически закрытой печи. Иногда, для изоляции детали от воздействия посторонних факторов во время обработки в печи применяют чугунную стружку. То есть заготовку обкладывают чугунной стружкой или крошкой.

ГОСТ 4543-71

Кстати, в этом же документе определены режимы термической обработки проката.

Термическая обработка стали 40Х

Твердость металла оказывает непосредственное влияние на:

Прочность;

Стойкость к износу и ряда других.

Кроме того, она необходима для улучшения механических свойств как отдельных деталей, так и конструкции в целом. В состоянии поставки твердость стали 40Х составляет 217 Мпа — по Бринелю. Для её повышения, применяют разные методы термической обработки.

В частности, для 40Х используют следующие способы закалки с применением:

единственного хладагента;

двух хладагентов;

струи охладителя;

Первый способ подразумевает под собой то, что будет использоваться один тип охладителя (вода, масло и пр.).

Второй, предполагает, то, что после охлаждения заготовки в воде, ее отправляют в масло.

В процессе термической обработки возникают проблемы защиты детали от дефектов, которые могут появиться после того, как появилась окалина (следствие воздействия кислорода) или выгорания углерода. Для предотвращения этого камеру, в которой происходит нагрев заготовки, насыщают газом, являющейся продуктом сгорания метана. На самом деле защита заготовки от воздействия атмосферного кислорода — это важная задача.