Легированная сталь 40Х: состав, характеристики, свойства, марки (аналоги), термообработка и область применения

Сталь 40Х — это металл, который сложен в изготовлении, но широко востребован. Чтобы использовать его по назначению, важно разобраться с основными характеристиками, механическими свойствами, особенностями производства и эксплуатации стали марки 40Х. У этого сплава имеются свои достоинства и недостатки, с которыми также стоит ознакомиться.

Сталь 40х — что это такое

40Х — легированный металлический сплав, который используется при производстве конструкций и деталей, подвергаемых высоким нагрузкам в процессе эксплуатации. Он содержит хром, который придает материалу прочность и делает его устойчивым к коррозии. 40Х также представляет собой отличную основу для создания новых сплавов.

Характеристики

В мире технологий и промышленности каждая деталь имеет значение. Знание характеристик металла — ключевой фактор успешной работы. Многие инженерные задачи требуют точного понимания, как материал будет вести себя в конкретных условиях. Поэтому для тех, кто имеет дело со сталью 40Х, знание ее особенностей — необходимость.

Основные характеристики этого металла впечатляют. Он выдерживает сильные нагрузки, устойчив к истиранию и деформации. Способен поглощать механическую энергию и обеспечивает высокую прочность при относительно низкой плотности стали.

Марка

Эта марка отличается от других тем, что содержит 0,40% углерода и 1,3–1,5% хрома. Что касается правил маркировки, то в соответствии с региональным стандартом, в начале указывается содержание углерода в марке стали 40х. Далее обязательно стоит буква Х — обозначение хрома, который добавляется в сплав в качестве легирующего компонента. В конце указывается метод выплавки (по желанию).

Химический состав

Процентное содержание основных элементов стали 40Х выглядит следующим образом:

хром — 0,9–1,5;
марганец — 0,5–0,6;
углерод — 0,3–0,4;
никель — до 0,3;
медь — до 0,3;
вольфрам — до 0,2;
кремний — 0,18–0,36;
молибден — до 0,1;
ванадий — до 0,05;
сера — до 0,035;
титан — до 0,03;
фосфор — до 0,025.

Важно! Состав и все химические свойства стали 40х регламентируются ГОСТом 4543 71.

Хром — главный легирующий компонент. Он делает сплав твердым, прочным, не боящимся коррозии. А ванадий, вольфрам и молибден не оказывают значимого влияния на важные характеристики, поэтому не являются легирующими.

Механические свойства

Чтобы определить, как материал справляется с различными механическими воздействиями, нужно знать все о его основных свойствах: твердости, плотности, прочности, текучести, ударной вязкости и т. д.

Например, временное сопротивление стали марки 40х равно 980 Мпа. Это одна из важнейших характеристик, определяющих способность металла противостоять нагрузкам. Прочие важные механические свойства стали 40х рассматриваются ниже.

Твердость

Важный фактор для понимания возможных областей применения. Твердость металла, измеряемая по разным шкалам от Роквелла до Бринелля, является индикатором устойчивости к воздействиям. Здесь стоит помнить, что чем выше твердость, тем ниже прочность.

Согласно ГОСТу, максимальная твердость (по Бринеллю НВ) стали марки 40х 217 МПа. Однако для некоторых типов продукции есть исключения:

Для труб, изготовленных в соответствии со стандартом 1987 года, установлен предел в 269 МПа.
Прокатанные горячей прокаткой прутки должны обладать пределом твердости 179 МПа.

Плотность

Важнейший параметр для инженеров, определяющий не только вес конструкций, но и их способность выдерживать различные нагрузки.

При температуре от 15 до 25 °C плотность стали марки 40 х составляет 7750 кг на кубический метр. Однако при повышении температуры до 200 °C она увеличится до 7800 кг.

Предел прочности

Ключевой в оценке прочности материала показатель, говорящий о том, насколько эффективно тот справляется с внешними воздействиями.

Предел прочности стали марки 40 х, измеренный при испытании на сопротивление, составляет внушительные 960 единиц. Однако в момент сгиба показатель снижается до 509 МПа.

Предел текучести

Этот параметр показывает, при каком напряжении металл начинает деформироваться. На конечные характеристики материала влияют:

толщина;
состав;
наличие дефектов кристаллической решетки;
режим температурной обработки.

Предел текучести стали марки 40 х равен 785 Н/мм2.

Ударная вязкость

Во время разрушения металла образуется энергия. Способность материала абсорбировать ее называется ударной вязкостью. Данный показатель особенно важен для конструкций, где способность смягчать воздействие внешних факторов имеет первостепенное значение.

Ударная вязкость 40х не должна быть меньше 400 и больше 850 кДж/кв.м.

Отпускная хрупкость

Одно из важных свойств стали, на которое стоит обратить внимание — это предрасположенность к отпускной хрупкости. Она может возникнуть при постепенном охлаждении конструкционного металла после отпуска. Обусловлена эта предрасположенность снижением вязкости, которая может уменьшиться примерно в 8 раз, если сравнивать с тем же показателем при скоростном охлаждении. Важно отметить, что медленное охлаждение не оказывает влияния на другие характеристики материала.

Интересно! Чтобы уменьшить склонность стали к отпускной хрупкости, ее поверхность дополнительно обрабатывается.

Температура эксплуатации

Если не учитывать этот показатель, металлическое изделие быстро деформируется или даже полностью разрушится. Средняя температура применения стали 40х, при которой продукция, изготовленная с ее использованием, нормально функционирует, находится на отметке минус 40 °C. Максимальная не должна превышать +425 градусов.

Условия и особенности производства стали 40х

Производство 40Х осуществляется разными методами, в числе которых:

мартеновский;
кислородно-конвертерный;
электрошлаковый;
электрический дуговой;
плазменно-дуговой;
индукционный.

Конкретный способ выплавки подбирается в зависимости от объема партии.

Термообработка

Для температурной обработки стали 40Х характерна отличная прокаливаемость. Она зависит от используемого режима. Для различных изделий применяют закалку при 850 °C с низким или высоким отпуском.

Судя по информации о стали 40х указанной в марочнике сталей, детали зубчатых передач могут быть закалены до твердости 57–60 HRC, но требуют последующего отпуска до 54–56 HRC. Он необходим, так как после закалки в растворе соли или в воде обрабатываемый материал становится менее прочным. Надо также учитывать, что температура плавления стали 40х — 1420 °С.

Интересно! Марочник сталей — это справочник, содержащий описания более чем 3000 сплавов.

Дополнительная обработка

Продукция из стали, поставляемая на рынок в разнообразных формах (пруты, листы и т. п.), проходит дополнительную обработку с целью усиления ее характеристик. В результате готовые изделия более износостойкие, долговечные, прочные.

В зависимости от того, как именно будет использоваться в дальнейшем продукция, она может подвергаться, к примеру, поверхностной закалке, азотированию, цементации.

Необходимость дополнительной обработки ставит перед производителями повышенные требования. Особенно в случае реализации сложных процессов, таких как цементация и азотирование. Эти методы обработки сопровождаются увеличением стоимости производства. Тем не менее в долгосрочной перспективе инвестиции оправдывают себя за счет повышения качества конечных изделий.

Преимущества и недостатки 40х стали

Продукция из стали этой марки очень прочна, нечувствительна к перепадам температуры (жароустойчива) и почти не боится коррозии.

К недостаткам можно отнести флокеночувствительность, трудносвариваемость (годятся далеко не все методы сварки), отпускную хрупкость. Если использовать дуговую ручную сварку, то не обойтись без подогрева.

Сталь 40х — область применения

Такая марка относится к классу конструкционных материалов, что говорит о её универсальности в различных областях применения. В промышленности, например, 40Х используется для изготовления осей, валов и других изделий с похожим назначением:

штоков;
реек;
зубчатых колес;
плунжеров;
втулок;
болтов.

Материал незаменим в приборостроении, агропромышленности, строительстве. Из него изготавливают инструменты медицинского назначения, кухонную утварь. Бесшовные трубы из этого сплава используются для транспортировки химических веществ, воды.

Где же еще применяется сталь 40х? Например, в производстве дротиков и ножей для метания. Эти инструменты требуют повышенной прочности материала и его способности справляться с ударными нагрузками. 40Х легко полировать, что обеспечивает возможность быстрого восстановления изделий до их первоначального состояния.

Интересно! Для производства бытовых ножей эта сталь не годится из-за слишком низкой теплостойкости.

Аналоги 40х стали

Металл с его неплохими механическими свойствами давно заслужил признание в промышленности. Но и в России, и за рубежом, существуют альтернативы марке 40Х, которые ни в чем ей не уступают.

Отечественные аналоги

К самым распространенных русским альтернативным маркам стали 40 х, имеющим похожий состав, можно отнести следующие: 40ХР, 40ХС, 40ХФ, 40ХН, 45Х, 38ХА.

Зарубежные аналоги

Аналоги стали 40Х также пользуются широкой популярностью за границей. К самым распространенным вариантам относятся:

41Cr4 и 37Cr4 в странах Евросоюза;
5140 в Канаде и США;
40Cr или 40CrA в Китае;
SCr440 в Японии.

Благодаря своим химическим, физическим и технологическим свойствам сталь 40х заслуживает внимания как основа для надежных и долговечных деталей и механизмов.