Сталь 40 модуль юнга
Согласно ГОСТ 4543-2016 наименование марок стали состоит из цифр и буквенного обозначения химических элементов:
- Цифра 40 перед буквенным обозначением указывает среднюю массовую долю углерода (С) в стали в сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 0,40%.
- Буква Х указывает, что сталь легирована хромом, отсутствие цифры после буквы указывает, что содержание хрома в стали до 1,5%.
- Буква Н указывает, что сталь легирована никелем, отсутствие цифры после буквы указывает, что содержание никеля в стали до 1,5%.
Вид поставки
- Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 10702-78.
- Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78.
- Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955 — 77.
- Лист толстый ТУ 14-1-1930-77.
- Полоса ГОСТ 103-76.
- Поковка и кованая заготовка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70.
- Валки ОСТ 24.013.21-85
- Труба ОСТ 14-21-77.
Характеристики и применение [3]
Сталь 40ХН является хромо-никелевой конструкционной легированной сталью, относится к группе улучшаемой стали и к сталям повышенной прокаливаемости, т.е. прокаливающейся в деталях диаметром 50-75 мм.
Сталь данной марки относится к лучшим образцам конструкционной стали. Комбинация никеля с хромом позволяет применять сталь 40ХН для изготовления деталей ответственного назначения, например:
- оси,
- валы,
- шатуны,
- зубчатые колеса,
- валы экскаваторов,
- муфты,
- валы-шестерни,
- шпиндели,
- болты,
- рычаги,
- штоки,
- цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости.
- Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла.
Так как никель целиком растворяется в твердом растворе, он способствует более значительному увеличению твердости и прочности феррита, чем хром. Особенно важно, что упрочнение здесь сопровождается также увеличением пластичности. При одновременном присутствии в стали никеля и хрома достигается хорошее сочетание механических свойств (прочности и вязкости), а также большая прокаливаемость.
Сталь 40ХН широко применяется в нефтяном машиностроении для изготовления наиболее ответственных деталей, например:
- особо нагруженных подъемных, трансмиссионных и промежуточных валов,
- зубчатых соединительных муфт,
- звездочек ценных передач буровых установок,
- пластин и роликов втулочно-роликовых цепей,
- осей талевых блоков,
- стволов вертлюг,
- защелок и осей элеваторов.
При применении стали хромо-никелевой стали необходимо иметь в виду, что она обладает склонностью к отпускной хрупкости особенно в интервале температур 450-550°C. Поэтому детали из этой стали следует после высокого отпуска охлаждать быстро (в воде или в масле). При в ведении в сталь 40ХН небольшого количества молибдена склонность к отпускной хрупкости понижается.
Рекомендации по применению стали 40Х для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | Закалка + отпуск при температуре, °С | Примерный уровень прочности, Н/мм (кгс/мм 2 ) | Температура применения не ниже, °С | Использование в толщине не более, мм |
| 40ХН | 500 | 1000(100) | -80 | 50 |
Температура критических точек, °С
Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)
| C | Si | Mn | Сr | Ni | P | S | Cu |
| не более | |||||||
| 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,45-0,75 | 1,00-1,40 | 0,035 | 0,035 | 0,30 |
Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)
| Массовая доля элементов, % | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | V | В |
| 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,45-0,75 | 1,00-1,40 | — | — | — | — | — |
ПРИМЕЧАНИЕ: Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 (ГОСТ 4543-2016).
Рекомендуемые температуры закалки отожженной стали 40ХН при нагреве ТВЧ [1]
| Марка Стали | Температура нагрева в °C при скорости нагрева выше Ac1 град/сек | ||
| 30-60 | 100-200 | 400-500 | |
| Продолжительность нагрева выше Ac1 сек | |||
| 2-4 | 1,0-1,5 | 0,5-0,8 | |
| 40ХН | 900-940°C | 920-960°C | 960-1020°C |
Режим умягчающей обработки стали 40ХН [1]
| Марка Стали | Операция | Температура нагрева в °C | Условия охлаждения * |
| 40ХН | Отжиг | 800-820 | 30-40° С/ч |
Ориентировочные режимы термической обработки стали 40ХН [1]
| Марка Стали | Температура нагрева для закалки и нормализации в °C | Охлаждающая среда | Температура отпуска в °C | Механические свойства | |||
| Твердость | Предел прочности при растяжении σв в кГ/мм 2 | δ в % | |||||
| HB | HRC | ||||||
| 40ХН | 800-840 | Масло | 180-200 | — | 45-50 | 150 | 8 |
| 550-600 | 255-286 | — | 85-95 | 14-16 | |||
ПРИМЕЧАНИЕ. Охлаждение с указанной скоростью до 500°C, а затем на воздухе.
Ориентировочные режимы предварительной термической обработки стали 40ХН [2]
| Марка стали | Операция термической обработки | Температура, °C | Способ охлаждения | Твердость HB |
| 40ХН | Нормализация | 840-860 | На воздухе | 207-255 |
| Отжиг | 800-830 | Медленное | 187-241 |
Механические свойства
| Источник | Состояние поставки | Сечение, мм | КП | Предел текучести σ0,2, МПа | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5 (δ4), % | Относительное сужение ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Пруток. Закалка с 820°С в воде или масле; отпуск при 500°С, охл. в воде или масле | 25 | — | 785 | 980 | 11 | 45 | 69 | — |
| ГОСТ 8479-70 | Поковка. Нормализация | 100-300 | 315 | 315 | 570 | 14 | 35 | 34 | 167-207 |
| 300-500 | 12 | 30 | 29 | 167-207 | |||||
| 500-800 | 11 | 30 | 29 | 167-207 | |||||
| Поковка. Закалка+отпуск | 300-500 | 345 | 345 | 590 | 14 | 38 | 49 | 174-217 | |
| До 100 | 395 | 395 | 615 | 17 | 45 | 59 | 187-229 | ||
| 100-300 | 15 | 40 | 54 | ||||||
| 300-500 | 13 | 35 | 49 | ||||||
| 500-800 | 11 | 30 | 39 | ||||||
| До 100 | 440 | 440 | 635 | 16 | 45 | 59 | 197-235 | ||
| 100-300 | 14 | 40 | 54 | ||||||
| 300-500 | 13 | 35 | 49 | ||||||
| 500-800 | 11 | 30 | 39 | ||||||
| До 100 | 490 | 490 | 655 | 16 | 45 | 59 | 212-248 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 54 | ||||||
| До 100 | 540 | 540 | 685 | 15 | 45 | 59 | 223-262 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 49 | ||||||
| До 100 | 590 | 590 | 735 | 14 | 45 | 59 | 235-277 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 49 | ||||||
Механические свойства проката в зависимости от сечения [2]
| Сечение, мм | Предел текучести σ0,2, МПа | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5, % | Относительное сужение ψ, % | Твердость HB |
| 40 | 780 | 960 | 18 | 58 | 325 |
| 80 | 730 | 920 | 20 | 54 | 302 |
| 120 | 710 | 910 | — | 50 | 300 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Нормализация при 870-925°С; закалка с 790°С в масле; отпуск при 540°С.
Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
| tотп, °С | Предел текучести σ0,2, МПа | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5, % | Относительное сужение ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB |
| 400 | 1220 | 1370 | 10 | 41 | 32 | 387 |
| 600 | 1080 | 1160 | 14 | 51 | 46 | 302 |
| 600 | 760 | 910 | 20 | 60 | 83 | 241 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 820°С в масле.
Механические свойства при повышенных температурах
| tисп, °С | Предел прочности при растяжении σв, МПа | Относительное удлинение после разрыва δ5, % | Относительное сужение ψ, % |
| Нормализация при 850°С | |||
| 20 | 790 | 18 | 48 |
| 200 | 750 | — | 50 |
| 300 | 690 | 20 | — |
| 400 | 540 | 25 | 65 |
| 500 | 480 | 25 | 79 |
| 600 | 350 | 27 | 85 |
| Образец диаметром 6мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50мм/мин, скорость деформации 0,031/c | |||
| 700 | 225 | 36 | 92 |
| 800 | 130 | 57 | 96 |
| 900 | 91 | 71 | 100 |
| 1000 | 62 | 75 | 100 |
| 1100 | 45 | 76 | 100 |
| 1200 | 31 | — | 100 |
Предел выносливости
| Характеристики прочности | σ-1, МПа | τ-1, МПа |
| Предел текучести σ0,2=780 МПа; Предел прочности при растяжении σв=980 МПа;НВ 300-320 | 490 | 294 |
| Предел текучести σ0,2=690 МПа; Предел прочности при растяжении σв=880 МПа;НВ 270-300 | 441 | 274 |
| Предел текучести σ0,2=570 МПа; Предел прочности при растяжении σв=780 МПа;НВ 200-240 | 392 | 235 |
| Предел прочности при растяжении σв=790 МПа; нормализация; НВ 197 | 314-392(n=10 7 ) | — |
Ударная вязкость KCU
| Состояние поставки | КСU, Дж/см 2 при температуре, °С | |||
| +20 | -20 | -40 | -60 | |
| Поковка 200×30мм. Закалка+отпуск | 116 | 116 | 93 | 80 |
ПРИМЕЧАНИЕ. σ 425 2,6/10000=103 МПа, σ 425 6/10000=138 МПа, σ 425 6,1/100000=69 МПа; σ 535 3,2/10000=21 МПа.
Технологические свойства
| Температура ковки, ° | Сначала 1250, конца 830. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, сечения от 51 до 200 мм — охлаждение в мульде, сечения с 201 до 300 мм — с печью. |
| Свариваемость | Трудносвариваемая. Способ сварки — РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка. |
| Обрабатываемость резанием | Kv тв.спл. = 1,0 и Kv б.ст. = 0,9 в горячекатанном состоянии при НВ 166-170 и Предел прочности при растяжении σв=690 МПа. |
| Флокеночувствительность | Повышенно чувствительна. |
| Склонность к отпускной хрупкости | Склонна |
Прокаливаемость
Полоса прокаливаемости для стали 40ХН после нормализации при 850°С и закалки с 820°С приведена на рисунке ниже.
Сталь 40 конструкционная углеродистая качественная
Сталь 40 относится к конструкционным углеродистым нелегированным специальным качественным сталям. Сталь марки 40 рекомендуется для изготовления крепежных деталей.
Химический состав, % (ГОСТ 1050-88)
| С | Si | Mn | Cr | S | P | Cu | Ni | As |
| не более | ||||||||
| 0,37-0,45 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | 0,04 | 0,035 | 0,25 | 0,25 | 0,08 |
Химический состав, % (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | |
| не более | ||||||||
| 40 | 0,37-0,45 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,030 | 0,035 | 0,25 | 0,30 | 0,30 |
Применение
После поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ сталь марки 40 применяется для изготовления деталей средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации, например:
- длинные валы,
- ходовые валики,
- зубчатые колеса.
После улучшения сталь 40 применяется для изготовления следующих деталей:
- коленчатые валы,
- шатуны,
- зубчатые венцы,
- маховики,
- зубчатые колеса,
- болты,
- оси.
В нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности сталь марки 40 применяется для изготовления:
- муфт насосных штанг,
- валов центробежных насосов,
- компрессоров,
- роторов,
- штоков грязевых насосов,
- стволов и переводников вертлюгов,
- переводников для рабочих и бурильных труб,
- корпусов колонковых долот,
- пальцев крейцкопфов грязевых насосов,
- роликов превентора,
- конических шестерен,
- фиксаторов и шпонок буровых станков,
- цепных колес буровых лебедок,
- штифтов,
- упорных винтов,
- скалок насосов,
- цапф и т. д
Применение стали 40 для изготовления шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | НД на поставку | Температура рабочей среды, °С | Дополнительные указания по применению |
| 40 ГОСТ 1050 | Сортовой прокат ГОСТ 1050 | От -40 до 425 | Применяется после термообработки (закалка и высокий отпуск) при температуре ниже минус 31°С до минус 40°С |
Применение стали 40 для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)
| Марка стали | Технические требования | Допустимые параметры эксплуатации | Назначение | |
| Температура стенки, °С | Давление среды, МПа (кгс/см 2 ), не более | |||
| Сталь 40 ГОСТ 1050, ГОСТ 10702 | СТП 26.260.2043 | От -40 до 425 | 10 (100) | Шпильки, болты |
| 16 (160) | Гайки | |||
| От -40 до 450 | 16 (160) | Шайбы | ||
Пределы применения, виды обязательных испытаний и контроля стали 40 для фланцев для давления свыше 10 МПа (100 кгс/см 2 ) (ГОСТ 32569-2013)
| Марка стали, стандарт или ТУ | 40 ГОСТ 1050 | |
| Технические требования | ГОСТ 9399 | |
| Наименование детали | Фланцы | |
| Предельные параметры | Температура стенки, °С, не более | От -40 до +200 |
| Давление номинальное, МПа (кгс/см 2 ) не более | 32 (320) | |
| Обязательные испытания | σ0,2 | + |
| σв | + | |
| σ | + | |
| f | + | |
| KCU | + | |
| HB | + | |
| Контроль | Дефектоскопия | + |
| Неметаллические включения | — | |
Стойкость стали 40 против щелевой эрозии
| Группа стойкости | Балл | Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T |
| Нестойкая | 6 | 0,005-0,05 |
ПРИМЕЧАНИЕ
Коэффициент эрозионной стойкости материала представляет собой отношение скорости эрозионного износа материала к скорости эрозионного износа стали 12Х18Н10Т (принятой за 1).
Термообработка
Детали из стали марки 40 подвергаются нормализации при температуре 860-880° С или закалке в воде с температуры 840-860° С с последующим отпуском; температура отпуска устанавливается в зависимости от требуемых механических свойств. Так, например, детали буровых установок (шестерни, фиксатор, шпонки) превентора (плита основной опоры, ролики) подвергаются отпуску при температуре 550° С, цепные колеса буровой лебедки — при температуре 500 С.
Твердость HB для металлопродукции из стали 40 (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | Твердость HB, не более, для металлопродукции | |||
| горячекатаной и кованой | калиброванной и со специальной отделкой поверхности | |||
| без термической обработки | после отжига или высокого отпуска | нагартованной | после отжига или высокого отпуска | |
| 40 | 217 | 187 | 241 | 197 |
Механические свойства металлопродукции (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | не менее | |||
| Предел текучести σт, Н/мм 2 | Временное сопротивление σв, Н/мм 2 | Относительное удлинение δ5, % | Относительное сужение Ψ, % | |
| 40 | 335 | 570 | 19 | 45 |
Механические свойства проката
| ГОСТ | Состояние поставки | Сечение, мм | σ0,2, МПа | δ5(δ4), % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||
| ГОСТ 1050-88 | Сталь горячекатаная, кованая калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализации | 25 | 570 | 19 | 45 | 59 | — |
| Сталь калиброванная 5-й категории: | |||||||
| после нагартовки | — | 610 | 6 | 35 | — | — | |
| после отжига или высокого отпуска | — | 510 | 14 | 40 | — | — | |
| ГОСТ 10702-78 | Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска и отжига | — | До 590 | — | 40 | — | 197 |
| ГОСТ 4041-71 (образцы поперечные) | Лист термообработанный 1 и 2-й категорий | 4-14 | 510-650 | 21 | — | — | 167 |
| ГОСТ 1577-93 | Лист нормализованный или горячекатаный | 80 | 560 | 20 | — | — | — |
| Лист отожженный или высокоотпущенный | 80 | 520 | 21 | — | — | — | |
| Полоса нормализованная или горячекатаная | 6-25 | 570 | 19 | 45 | — | — | |
| ГОСТ 16523-89 (образцы поперечные) | Лист горячекатаный | До 2 | 510-660 | (16) | — | — | — |
| 2-3,9 | (17) | — | — | — | |||
| Лист холоднокатаный | До 2 | 510-600 | (17) | — | — | — | |
| 2-3,9 | (18) | — | — | — | |||
| ГОСТ 2284-79 | Лента холоднокатаная отожженная | 0,1-4 | 450-700 | (14) | — | — | — |
| Лента нагартованная, класс прочности Н2 | 0,1-4 | 850-1050 | — | — | — | — | |
| ГОСТ 10234-77 | Лента отожженная плющеная | 0,1-4 | До 700 | 10 | — | — | — |
Механические свойства поковок (ГОСТ 8479-70)
| Термообработка | Сечение, мм | КП | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ, не более |
| не менее | ||||||||
| Нормализация | 300-500 | 215 | 215 | 430 | 18 | 40 | 44 | 123-167 |
| 500-800 | 16 | 35 | 39 | |||||
| 100-300 | 245 | 245 | 470 | 19 | 42 | 39 | 143-179 | |
| 300-500 | 17 | 35 | 34 | |||||
| До 100 | 275 | 275 | 530 | 20 | 40 | 44 | 156-197 | |
| 100-300 | 17 | 38 | 34 | |||||
| Закалка+отпуск | 300-500 | 275 | 275 | 530 | 15 | 32 | 29 | 156-197 |
| 500-800 | 13 | 30 | 29 | |||||
| 100-300 | 315 | 315 | 570 | 14 | 35 | 34 | 167-207 | |
| До 100 | 345 | 345 | 590 | 18 | 45 | 59 | 174-217 | |
Механические свойства после закалки с 850 °С в масле
| tотп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ, не более |
| 200 | 750 | 930 | 7 | 45 | 29 | 267 |
| 300 | 710 | 860 | 8 | 51 | 69 | 247 |
| 400 | 640 | 790 | 10 | 57 | 88 | 225 |
| 500 | 550 | 730 | 12 | 62 | 127 | 208 |
| 600 | 450 | 660 | 16 | 66 | 167 | 188 |
| 700 | 380 | 620 | 17 | 71 | 206 | 170 |
Механические свойства при повышенных температурах [81]
| tисп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % |
| 700 | 99 | 140 | 48 | 85 |
| 800 | 70 | 110 | 53 | 97 |
| 900 | 54 | 71 | 55 | 100 |
| 1000 | 28 | 58 | 69 | 100 |
| 1100 | 24 | 37 | 60 | 100 |
| 1200 | 16 | 26 | 87 | 100 |
| 1300 | 12 | 18 | 56 | 100 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Образец диаметром 6 мм и длиной 80 мм, прокатанный. Скорость деформирования 16 мм/мин; скорость деформации 0,009 1/с.
Ударная вязкость KCU [28]
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 , при температуре, °С | ||
| +20 | -40 | -80 | |
| Закалка с 850 °С в воде; отпуск при 400 °С | 78 | 55 | 51 |
Предел выносливости [140]
| Термообработка | σ-1, МПа |
| Отжиг при 850 °С, σ0,2 = 275 МПа, σв = 520 МПа | 231 |
| Закалка с 845 °С, в воду; отпуск при 550 °С, σ0,2 = 600 МПа, σв = 710 МПа, НВ 209 | 393 |
| Закалка с 845 °С в масло; отпуск при 430 °С, σ0,2 = 415 МПа, σв = 630 МПа | 230 |
ПРИМЕЧАНИЕ. σ 400 1/100000 = 100 МПа; σ 450 1/100000 = 50 МПа; σ 500 1/100000 = 30 МПа; σ 400 1/10000 = 260 МПа; σ 500 1/10000 = 70 МПа; σ 400 1/100000 = 190 МПа; σ 500 1/100000 = 44 МПа.
Технологические свойства [81]
Температура ковки, °С: начала 1250, конца 800. Охлаждение заготовок сечением до 400 мм на воздухе.
Свариваемость — ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. КТС без ограничений.
Обрабатываемость резанием — Kv тв.спл = 1,2 и Kv б.ст = 1,05 в горячекатаном состоянии при НВ 170 и ав= 520 МПа.
Флокеночувствительность — не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости — не склонна.
Прокаливаемость, мм (ГОСТ 1050-88) [51]
Полоса прокаливаемости стали 40 после нормализации при 850 °С и закалки с 850 °С приведена на рисунке ниже.
Модуль упругости стали
При проектировании стальных изделий или элементов конструкций учитывают способность сплава выдерживать разнонаправленные виды нагрузок: ударные, изгибающие, растягивающие, сжимающие. Значение модуля упругости стали, наряду с твердостью и другими характеристиками, показывает стойкость к этим воздействиям.
Например, в железобетонном строительстве используют продольные и поперечные арматурные стержни. В горизонтальной плоскости они подвержены растяжению, а в вертикальной — давлению всей массы конструкции. В местах концентрации напряжений: углы, технологические проемы, лифтовые шахты и лестничные пролеты — размещают большее количество арматуры. Способность бетона впитывать воду служит причиной постоянных изменений сжимающих и растягивающих нагрузок.
Рассмотрим другой пример. В военное время создавалось множество разработок в сфере авиации. Самыми частыми причинами катастроф были возгорания двигателей. Отрываясь от земли, самолет попадает в атмосферные слои с разреженным воздухом и его корпус расширяется, обратный процесс происходит при посадке. Кроме этого, на конструкцию воздействует сопротивление воздушных потоков, давление искривленных слоев воздуха и другие силы. Несмотря на прочность, существующие в то время сплавы не всегда были пригодны для изготовления ответственных деталей, в основном, это приводило к разрывам топливных баков.
В различных видах промышленности из стали изготавливают детали подвижных механизмов: пружины, рессоры. Марки, используемые для таких целей, не склонны к трещинообразованию при постоянно изменяющихся нагрузках.
Упругость твердых тел — это способность принимать исходную форму после прекращения деформирующих воздействий. Например, брусок пластилина обладает нулевой пружинистостью, а резиновые изделия можно сжимать и растягивать. При различных применениях сил к предметам и материалам, они деформируются. В зависимости от физических свойств тела или вещества, различают два вида деформации:
- Упругая — последствия исчезают по окончании действия внешних сил;
- Пластическая — необратимое изменение формы.
Модуль упругости — название нескольких физических величин, характеризующих склонность твердого тела деформироваться упруго.
Впервые понятие было введено Томасом Юнгом. Ученый подвешивал грузы к металлическим стержням и наблюдал за их удлинением. У части образцов длина увеличилась в два раза, другие — были разорваны в ходе эксперимента.
Сегодня определение объединяет ряд свойств физических тел:
Модуль Юнга: Вычисляется по формуле E= σ/ε, где σ — напряжение, равное силе, деленной на площадь ее приложения, а ε — упругая деформация, эквивалентная отношению удлинения образца с начала деформации и сжатию после ее прекращения.
Модуль сдвига (G или μ): способность сопротивляться деформации при сохранении объема, когда направление нагрузок производится по касательной. Например, при ударе по шляпке гвоздя, если он был произведен не под прямым углом, изделие искривляется. В сопромате величину используют для вычисления сдвигов и кручения.
Модуль объемной упругости или объемного сжатия (К): изменения, вызванные действием всестороннего напряжения, например, гидростатического давления.
Коэффициент Пуансона (Ⅴ или μ): отношение поперечного сжатия к продольному удлинению, вычисляется для образцов материалов. У абсолютно хрупких веществ он равен нулю.
Константа Ламе: энергия, провоцирующая возвращение в исходную форму, вычисляется через построение скалярных комбинаций.
Модуль упругости стали соотносится с рядом других физических величин. Например, при проведении эксперимента на растяжение, важно учитывать предел прочности, превышение которого оборачивается разрушением детали.
- Соотношение жесткости и пластичности;
- Ударная вязкость;
- Предел текучести;
- Относительное сжатие и растяжение (продольное и поперечное);
- Пределы прочности при ударных, динамических и др. нагрузках.
Применение ряда подходов обусловлено требованиями к механическим свойствам материалов в разных отраслях промышленности, строительства, приборостроения.
Модуль упругости разных марок стали
Наибольшей способностью противостоять деформации обладают рессорно-пружинистые стальные сплавы. Эти материалы характеризуются высоким пределом текучести. Величина показывает напряжение, при котором деформация растет без внешних воздействий, например при сгибании и скручивании.
Характеристики упругости стали зависят от легирующих элементов и строения кристаллической решетки. Углерод придает стальному сплаву твердость, однако в высоких концентрациях снижается пластичность и пружинистость. Основные легирующие добавки, повышающие упругие свойства: кремний, марганец, никель, вольфрам.
Нередко, нужных показателей можно достичь лишь с помощью специальных режимов термообработки. Таким образом все фрагменты детали будут иметь единые показатели текучести, а слабые участки будут исключены. В противном случае изделие может надломиться, лопнуть или растрескаться. Марки 60Г и 65Г обладают такими характеристиками, как сопротивление разрыву, вязкость, стойкость к износу, они применяются для изготовления промышленных пружин и музыкальных струн.
В металлургической промышленности создано несколько сотен марок стали с разными модулями упругости. В таблице приведены характеристики популярных сплавов.
Таблица модулей прочности марок стали
| Наименование стали | Модуль упругости Юнга, 10¹²·Па | Модуль сдвигаG, 10¹²·Па | Модуль объемной упругости, 10¹²·Па | Коэффициент Пуассона, 10¹²·Па |
| Сталь низкоуглеродистая | 165…180 | 87…91 | 45…49 | 154…168 |
| Сталь 3 | 179…189 | 93…102 | 49…52 | 164…172 |
| Сталь 30 | 194…205 | 105…108 | 72…77 | 182…184 |
| Сталь 45 | 211…223 | 115…130 | 76…81 | 192…197 |
| Сталь 40Х | 240…260 | 118…125 | 84…87 | 210…218 |
| 65Г | 235…275 | 112…124 | 81…85 | 208…214 |
| Х12МФ | 310…320 | 143…150 | 94…98 | 285…290 |
| 9ХС, ХВГ | 275…302 | 135…145 | 87…92 | 264…270 |
| 4Х5МФС | 305…315 | 147…160 | 96…100 | 291…295 |
| 3Х3М3Ф | 285…310 | 135…150 | 92…97 | 268…273 |
| Р6М5 | 305…320 | 147…151 | 98…102 | 294…300 |
| Р9 | 320…330 | 155…162 | 104…110 | 301…312 |
| Р18 | 325…340 | 140…149 | 105…108 | 308…318 |
| Р12МФ5 | 297…310 | 147…152 | 98…102 | 276…280 |
| У7, У8 | 302…315 | 154…160 | 100…106 | 286…294 |
| У9, У10 | 320…330 | 160…165 | 104…112 | 305…311 |
| У11 | 325…340 | 162…170 | 98…104 | 306…314 |
| У12, У13 | 310…315 | 155…160 | 99…106 | 298…304 |
Модуль упругости для металлов и сплавов
| Наименование материала | Значение модуля упругости, 10¹²·Па |
| Алюминий | 65—72 |
| Дюралюминий | 69—76 |
| Железо, содержание углерода менее 0,08 % | 165—186 |
| Латунь | 88—99 |
| Медь (Cu, 99 %) | 107—110 |
| Никель | 200—210 |
| Олово | 32—38 |
| Свинец | 14—19 |
| Серебро | 78—84 |
| Серый чугун | 110—130 |
| Сталь | 190—210 |
| Стекло | 65—72 |
| Титан | 112—120 |
| Хром | 300—310 |
Упругость сталей
| Наименование стали | Значение модуля упругости, 10¹²·Па |
| Сталь низкоуглеродистая | 165—180 |
| Сталь 3 | 179—189 |
| Сталь 30 | 194—205 |
| Сталь 45 | 211—223 |
| Сталь 40Х | 240—260 |
| 65Г | 235—275 |
| Х12МФ | 310—320 |
| 9ХС, ХВГ | 275—302 |
| 4Х5МФС | 305—315 |
| 3Х3М3Ф | 285—310 |
| Р6М5 | 305—320 |
| Р9 | 320—330 |
| Р18 | 325—340 |
| Р12МФ5 | 297—310 |
| У7, У8 | 302—315 |
| У9, У10 | 320—330 |
| У11 | 325—340 |
| У12, У13 | 310—315 |
Предел прочности
Твердые тела способны выдерживать ограниченные нагрузки, превышение предела приводит к разрушению структуры металла, формированию заметных сколов или микротрещин. Возникновение дефектов сопряжено со снижением эксплуатационных свойств или полным разрушением. Прочность сплавов и готовых изделий проверяют на испытательных стендах. Стандартами предусмотрен ряд испытаний:
- Продолжительное применение деформирующего усилия;
- Кратковременные и длительные ударные воздействия;
- Растяжение и сжатие;
- Гидравлическое давление и др.
В сложных механизмах и системах выход из строя одного элемента автоматически становится причиной повышения нагрузок на другие. Как правило, разрушения начинаются на тех участках, где напряжения максимальны. Запас прочности служит гарантией безопасности оборудования во внештатных ситуациях и продлевает срок его службы.
Характеристики стали 40Х
Характеристики
Эксплуатационные параметры для стали 40Х определяются в странах СНГ требованиями межгосударственного ГОСТ 4543-2016. В указанном стандарте также представлен состав химических элементов других её модифицированных разновидностей: 40ХПМА, 40ХМФА, 40ХФР, 40XHМА, 40XH2МА, 40ХПНМ, 40ХГТР. Данные справы очень похожи и незначительно отличаются между собой по химическому составу.
Химический состав
Рассмотрим, из чего состоит 40Х. Перечень её компонентов, можно сказать, является основой для создания других подобных сплавов. Вместе с тем, в стандарте ГОСТ 4543-2016 чётко определено следующее процентное содержание химических элементов:
- углерод, % — от 0.36 до 0.44;
- кремний, % — от 0.17 до 0.37;
- марганец, % — от 0.50 до 0.60;
- хром, % — от 0.80 до 1.10.
Хром здесь является главным легирующим элементом. Он наделяет сплав антикоррозийными свойствами, соответствующей прочностью и твёрдостью. Как видно из состава, его доля вирируется от 0.8 до 1.1 %, от общей массы.
Cстандартом допускается небольшое количество: вольфрама (до 0.20 %), молибден (до 0.11 %) и ванадий (до 0.05 %), которые не считаются легирующими металлами, так как не влияют на основные эксплуатационные характеристики. Также в ней может находиться в виде остаточных примесей до 0.03 % титана.
В приведённый выше состав также могут входить следующие остаточные элементы, наличие которых вызвано особенностями металлургического производства (данные, приведённые ниже, соответствуют стали обыкновенного качества):
- cера, % – не более 0.035;
- фосфор, % – не выше 0.025;
- медь, % – не более 0.30;
- никель, % – не выше 0.30.
По согласованию с заказчиком процентное содержание никеля и меди допускается не указывать.
Физико-механические характеристики
Соответствуют образцам после горячей прокатки или ковки (при комнатной температуре):
- плотность, кг/м3 – 7850:
- предел прочности при растяжении, МПа – 610;
- предел текучести, МПа – 480;
- относительное удлинение при растяжении – 0,30…0,45 (диапазон показателей связан с ассортиментом прокатной продукции: меньшие значения соответствуют образцам после листовой прокатки);
- модуль упругости (Юнга), ГПа – 2140;
- ударная вязкость, Дж/см 2 – 160;
- твёрдость по Бринеллю, НВ – не более 217 МПа;
- коэффициент температурного расширения (при 20 до 200 0 С) — 11,8×10 -6 град -1 .
При использовании готовых изделий в условиях знакопеременных и пульсирующих нагрузок определяется также предел выносливости стали, который составляет 240 МПа.
Условия производства
40Х доступна для массовой выплавки следующими способами: кислородно-конвертерным, мартеновским, а также в электрических дуговых или индукционных печах. При небольших партиях выпуска металла повышенного качества используют методы электрошлакового или плазменно-дугового переплава. Изготовленный таким образом металл характеризуется боле жёсткими допусками на содержание вредных металлургических примесей.
40Х отличается хорошей прокаливаемостью, которая полностью определяется режимами термической обработки. В зависимости от последующего применения готовых изделий используют:
- закалку при 850 0 С в масле, с последующим высоким отпуском (конечная твёрдость – до 240…250 НВ);
- закалку при 850 0 С в масле или воде, с последующим низким отпуском (конечная твёрдость – до 510…520 НВ);
- Нормализацию на твёрдость 170…220 НВ.
Для изготовления деталей зубчатых передач может быть применена закалка ТВЧ на твёрдость 58…60 HRC, однако после струйной закалки в воде или солевых растворах хрупкость металла резко возрастает, поэтому далее проводят отпуск до 53…56 HRC.
40Х считается относительно хрупкой, поэтому рекомендуется строго придерживаться температурно-временного диапазона отпуска. Хорошо поддаётся ковке на прессах или молотах, нагрев заготовок под ковку составляет 720…760 0 С. При этом, перегрев сопровождается ростом размера зёрна и увеличением вероятности появления трещин при деформации.
Теплостойкость неудовлетворительна, при 150…200 0 С на поверхности начинает формироваться тонкая плёнка окалины из окиси железа. В результате изделия быстро ржавеют, а их применение в движущихся частях и деталях машин сопровождается резким ростом коэффициента трения.
Дополнительная обработка
Полученная при производстве сталь поступает на продажу в виде сортового проката, листов, прутов и. др. Изделия из неё, для повышения соответствующих качеств, подвергаются последующей обработке. Таким образом, при производстве готовой продукции, увеличивают её прочность и износостойкость.
Например, в зависимости от сферы дальнейшего применения, изделия из 40Х могут проходить дополнительную химико-термическую обработку (цементацию) и поверхностную закалку. С помощью процедур имплантации ионов азота на поверхностности металла получают азотированный слой толщиной до 200 мкм, благодаря которому износостойкость изготовленной продукции увеличивается в разы.
Требования к дальнейшей обработке, в этом случае, многократно возрастают, а стоимость производства увеличивается.
Маркировка
В соответствии с ГОСТ 4543-2016 в начале обозначения марки стали приводят среднее количество углерода (в десятых долях процента, т.е., 40), а затем буквенное обозначение хрома Х – единственного легирующего элемента. Дополнительно, по требованию заказчика, в конце маркировки может быть указан способ выплавки.
Аналоги
40Х – весьма распространённая по своим характеристикам. Наиболее известны следующие её зарубежные аналоги:
- США, Канада – 5140, G51400$
- Евросоюз – 1.7035, 37Cr4, 41Cr4;
- Япония – SCr440;
- КНР – 40Cr, 40CrA.
Технические требования устанавливаются национальными стандартами и стандартами DIN.
Применение
Из-за низкой теплостойкости и твёрдости в качестве охотничьих или бытовых ножей 40Х не используется. Однако находит широкое применение при изготовлении метательных ножей и дротиков. Поскольку этот вид инструмента характеризуется особенной формой заточки кромки, имеет значение высокая прочность материала и его способность хорошо противостоять ударным нагрузкам. Кроме того, она легко полируется, поэтому изделия могут быть оперативно восстановлены до своего прежнего состояния.
На предприятиях российской промышленности из данной стали производят валы, оси, зубчатые колёса и шестерни, и другую продукцию аналогичного назначения.
Читайте также: