Согласно нормативным документам в обозначение стали входят буквы и цифры, которые указывают примерный химический состав сплава. Первые цифры в записи у низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей показывают количество углерода в сотых долях процента. Буквы обозначают легирующие добавки, входящие в материал. Их содержание указывается числом, следующим за буквенным обозначением. При концентрации элемента менее 1 % число отсутствует. Так, в стали 40Х содержится 0,4 % углерода и менее 1 % хрома.
Химический состав стали
Сталью называют сплав железа с углеродом концентрацией не более 2,14 %. 40Х относится к качественным углеродистым конструкционным сталям. Кроме углерода в сплав входят легирующие добавки и вредные примеси.
| Fe, % |
C, % |
Si, % |
Mn, % |
Ni, % |
S, % |
P, % |
Cr, % |
Cu, % |
| Около 97 |
0,36 – 0,44 |
0,17 – 0,37 |
0,50 – 0,80 |
Не более 0,30
|
Не более 0,035
|
Не более 0,035
|
0,80 – 1,10 |
Не более 0,30 |
Химические элементы в стали по-разному влияют на её свойства:
- Железо является основой любой стали и образует кристаллическую решетку, в которой растворяется углерод и другие химические элементы;
- Углерод проникает между атомами решетки железа и повышает прочностные свойства стали (твёрдость, предел текучести, предел прочности), понижая пластичность;
- Кремний и марганец вводятся при выплавке для раскисления стали. Они связывают атомы кислорода и образуют лёгкие оксиды, всплывающие на поверхность расплава в виде шлака;
- Никель способствует росту прочности и вязкости стали, снижает склонность к хрупкому разрушению;
- Сера и фосфор являются вредными примесями, попадающими в расплав из руды. Они повышают хрупкость металла и снижают сопротивление коррозии;
- Хром в составе стали образует твёрдые карбидные частицы, в результате чего улучшаются её прочностные свойства, но ухудшается пластичность;
- Медь попадает в сплав из руды и стального лома. Она не образует химических соединений и твёрдых растворов с железом, поэтому присутствие более 1 % этого элемента нежелательно.
Все легирующие добавки повышают прокаливаемость стали, то есть максимальную глубину проникновения упрочнённой зоны при закалке.
Физические и механические свойства сплава
40Х является среднеуглеродистой сталью и чаще всего применяется после закалки и высокого отпуска. В этом состоянии структура стали состоит из мелких однородных частиц. Такая термическая обработка называется улучшением, так как обеспечивает сочетание высоких прочностных свойств с вязкостью и пластичностью. После закалки в масло с температуры 860 ℃ и отпуска при 500 – 800 ℃ поковки из стали 40Х обладают следующими свойствами.
|
Прочностные характеристика |
|
|
Временное сопротивление σв, МПа |
655 |
|
Предел текучести σ0,2, МПа |
490 |
|
Твёрдость по Бринеллю HB |
212 – 248 |
|
Пластические характеристики |
|
|
Относительное удлинение δ, % |
15 |
|
Ударная вязкость KCU, Дж/см2 |
59 |
Для повышения прочностных свойств уменьшают температуру отпуска стали. Отпуск при 200 ℃ позволяет увеличить предел текучести до 1560 МПа, предел прочности до 1760 МПа, твёрдость до 552 HB, при этом произойдёт снижение ударной вязкости до 29 Дж/см2.
Сталь трудно поддаётся сварке, склонна к образованию хрупких мартенситных структур в зоне термического влияния сварного шва. Получение качественного соединения при ручной электродуговой и электрошлаковой сварке возможно при использовании дополнительного источника нагрева. Для снижения остаточных напряжений требуется термическая обработка швов. Точечная контактная сварка может производиться без подогрева.
Области применения стали 40Х
40Х относится к конструкционным сталям и применяется в производстве деталей машин и станков, крепежных элементов. Высокая прочность в сочетании с достаточной пластичностью позволяют изготавливать детали сложной конфигурации, подвергающиеся повышенным нагрузкам: шестерни, коленчатые валы, зубчатые рейки. Сталь 40Х целесообразно применять для изготовления цилиндрических деталей (валов, шпинделей, штоков, плунжеров, болтов, осей) с диаметром не более 20 мм. Этот параметр ограничивается глубиной прокаливаемости сплава.
Сталь 40Х показывает хорошие свойства при обработке давлением, поэтому её применяют для изготовления деталей штамповкой, ковкой, прокаткой. ГОСТ регламентирует трубы и различный листовой и фасонный прокат из 40Х.