Предел текучести стали 40х

Предел текучести стали 40х и предел прочности СТ 40х, временное сопротивление, физические свойства, механические свойства, химический состав, массовая доля элементов, температура критических точек, назначение, технологические характеристики, свариваемость, обрабатываемость, флокеночувствительность, предел выносливости, ударная вязкость, ковка, вид поставки, ГОСТы на прокат металла этой марки.

Механические свойства стали этой марки, в зависимости от вида приложенной нагрузки, точнее механического напряжения в образце и технологических требований к форме образца, могут быть охарактеризованы несколькими специализированными значениями, подпадающими под определение – предел текучести стали, традиционно обозначающейся в таблицах символом сигма σ с добавлением поясняющей метки, сокращения, требующей расшифровки. А так же значением предела прочности, тоже обозначающимся символом σ. О чем мы подробно расскажем ниже, в тексте статьи под таблицей. Однако, наиболее часто, посетителей сайта интересуют только два параметра из всего спектра механических свойств этого сплава. К ним относятся: σ0.2 и σв. Соответственно σ0.2 – это условный технологический предел текучести металла или сплава, равный нагрузке при которой форма образца изменяется на величину 0.2%, а σв – это объективный физический предел текучести стали, равный нагрузке при которой наступает разрыв – разрушение образца металла. Именно σв, это нагрузка (или механическое напряжение, что по сути одно и то же), называющаяся пределом прочности сплава. Что такое временное сопротивление? Это другое название предела прочности σв. Кстати, все названия и предел прочности, и предел текучести и временное сопротивление, являются правильными, хотя используются при описании разных физических процессов. Смотрите две таблицы ниже – Таблица номер 1 и Таблица номер 2. Для более удобной “навигации” по таблицам физических свойств полезно знать, какие виды проката выпускаются в соответствии с конкретными ГОСТами на сталь 40х. МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРУТОК, ПРУТ ЖЕЛЕЗНЫЙ из стали марки СТ 40х: ГОСТ 4543-71. МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРУТОК, ПОКОВКИ из стали марки СТ 40х: ГОСТ 8479-70.

Таблица 1. σв – предел прочности сталь 40х. Временное сопротивление. Приводится в таблице, как выдержка, выписка по ГОСТу из механических свойств сплава металла этой марки.

Таблица 2. σ0.2 – условный предел текучести сталь 40х – технологическая характеристика. Приводится в таблице, как выдержка, выписка по ГОСТу из механических свойств сплава металла этой марки.

Металл, сталь марки СТ40х – это прочный и твердый материал, способный выдерживать различные нагрузки не разрушаясь и сохраняя свою форму. За что он и ценится, поэтому и применяется в различных конструкция, деталях, инструментах. Это общий, совершенно понятный «тезис». Теоретически, металл СТ40х может «ответить» на нагрузку двумя «способами». Принять ее на себя и не измениться в своей форме или немного деформироваться, но после снятия нагрузки вернуться в прежнее состояние. В крайнем случае, без снятия нагрузки, изменившаяся форма детали, должна оставаться постоянной, а сама стальная деталь будет находиться в «напряженном» состоянии. Это говорит о том, что металл находится «в зоне» упругих деформаций. Именно так все должно происходить в штатных ситуациях, что верно для любой, правильно рассчитанной, конструкции.

Однако, на практике, для стали СТ 40х существует определенный «порог». Всегда может возникнуть ситуация, когда приложенная нагрузка уже столь велика, что детали или элементы конструкции, изготовленные из сплава – металла марки СТ40х, начинают менять свою форму под ее воздействием. Что называется возникновением пластических деформаций в металле, сменивших упругие, с которыми деталь прекрасно справлялась при меньших нагрузках. ( Внимание! Не путать, предел текучести с пределом упругости стали – это разные величины, хотя и близкие по абсолютному значению). Так вот, начало возникновения пластических деформаций в металле – это «начало конца». Нештатная ситуация, к которой стальная конструкция или металлическая деталь уже «не готова». С «бытовой» точки зрения, образец стали СТ40х еще остается вполне прочным, однако с технологической стороны, он уже не может соответствовать предъявляемым требованиям и не может использоваться по назначению. Его прочность нарушена, потому что изменилась форма образца. Именно поэтому, при любых расчетах, учитывающих прочность металла, знание «порога», оказывается более чем важным. Нагрузка, при которой металлическая деталь «выходит из зоны» упругих деформаций и «входит в зону» пластических деформаций, начинает необратимо менять свою форму, течь – это и есть: технологический предел текучести стали СТ40х. Физический предел текучести металла – это похожая, но несколько иная характеристика. В физике, обычно оперируют величиной нагрузки находящейся «на другом конце» кривой. Не той, при которой начинаются пластические деформации, а той при которой наступает полное разрушение образца металла – разрыв. Отсюда и возникают «разночтения», смысл которых сводится к тому, что одна и та же марка сплава СТ 40х, характеризуется двумя пределами текучести – объективным физическим и условным технологическим. Естественно, что как любая нагрузка, механическое напряжение или усилие, предел текучести стали СТ40х, как и предел прочности, измеряется так же, в тех же единицах. Мы помним – физические единицы измерения нагрузки – кг/мм2 или – Н/м2. Для ГОСТов и ТУ используется вариант измерения нагрузки в МПа, часто можно встретить механическое напряжение указанное в таких величинах, как КГС/мм2. Тут никакой «экзотики» нет.

Нужно сказать, что, предел текучести стали СТ 40х – это достаточно «неудобная» физическая характеристика сплава. Например, масса или удельный вес металла – это тоже физическая характеристика, которая почти не от чего не зависит. Ни от технологии производства стали этой марки, ни от способов воздействия на металл. Мы можем нагревать образец, закаливать его, обрабатывать, придавать любую форму, масса останется постоянной характеристикой. С пределом текучести стали СТ40х все сложнее. Это физическая характеристика металла данной марки, которая очень сильно зависит от «кучи обстоятельств». Например, толщина, как и форма образца (в меньшей степени), влияют на значение предела текучести. Термообработка, та же закалка или сварка, даже режим отпуска после нагрева, существенно изменяет величину предела текучести детали из стали СТ 40х. Наличие примесей в сплаве, добавок, присадок, то есть незначительное изменение химического состава, сразу скажется на значении предела текучести. Более того, технология получения стали СТ 40х, при ее изготовлении, определяет микроструктуру металла, тип кристаллической решетки, одновременно изменяя и величину предела текучести образца. Более всего эта физическая характеристика металла зависит от температуры. Чем выше температура нагрева образца, тем «охотнее и легче» сталь течет – «входит в зону» пластических деформаций.

Именно поэтому, предел текучести стали СТ 40х определяется не как общая физическая константа, характерная для этой марки металла вообще, а в каждом конкретном случае своя. Их получается несколько, хотя сталь одна. Обычно предел текучести стали СТ40х указывается для вариантов сортового металлопроката, изготовление которого подразумевает строгие ГОСТы (единые нормы), в том числе и для размеров, формы, технологии производства. А, как справочная информация, предел текучести стали СТ 40х в таблице, приводится для: фиксированной температуры – обычно это 20 градусов Цельсия. Если температура нагрева металла меняется, то сразу же изменяются и значения предела текучести стали СТ 40х.

Самое «неприятное» то, что вид нагрузки или направление приложенного давления, тоже играют большую роль. Нагрузка на образец из стали 40х может быть разной: на изгиб, на разрыв, на скручивание, на сжатие и так далее. Для каждого конкретного вида нагрузки, определяются свои значения предела текучести стали 40х. Например: предел текучести на кручение, предел текучести на изгиб, предел текучести на сжатие, на сдвиг, на срез, на растяжение и так далее. Достаточно часто, технологический предел текучести определяется условно, потому что физически, он может не существовать вообще. При определенных соотношениях нагрузки и температуры нагрева металла, здесь речь идет в основном о низких температурах, образец из стали ломается (разрушается) раньше, чем наступили пластические деформации. Однако и в этом случае, технологический условный предел текучести стали СТ40х при такой температуре указывается, как теоретическое значение и используется в расчетах. Хотя фактически, он практически не существует, потому что зона пластических деформаций слишком короткая, сразу «вступает в действие» предел прочности стали СТ 40х.

Кстати, пластические деформации в металле наступают не мгновенно, а нарастают постепенно с увеличением нагрузки. Поэтому, в общем случае, говорить о пороге текучести стали, как о четкой «точке перелома», не совсем корректно с физической точки зрения. Это «размытый», хотя и достаточно короткий отрезок кривой на графике. Требует уточнения вопрос, какая величина возникших в металле пластических деформаций должна считаться критичной и неприемлемой для эксплуатации изделия на производстве. Для таких, технологических ситуаций, общепринятым условным пределом текучести стали СТ 40х считается величина нагрузки, при которой образец изменяет форму на 0.2%. Она указывается во всех таблицах, где приводятся механические свойства этого сплава металла. В нашем примере рассмотрены такие варианты как ГОСТ 4543-71, ГОСТ 8479-70. ПОДРОБНЕЕ: МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРУТОК, ПРУТ ЖЕЛЕЗНЫЙ из стали марки СТ 40х: ГОСТ 4543-71. МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРУТОК, ПОКОВКИ из стали марки СТ 40х: ГОСТ 8479-70.

Сталь марки 40Х

Расшифровка марки стали 40Х: эта марка означает, что в стали содержится 0,40% углерода и менее 1,5% хрома.

Преимущества термообработки изделий из стали 40Х в кипящем слое по сравнению с традиционными способами: был исследован нагрев под закалку высокопрочных болтов из сталей 40Х и 38ХС. Из опытов следует, что при горизонтальном положении болта М24 в кипящем слое частиц корунда диаметром 0,32 мм, отапливаемом природным газом, медленнее всего температура повышается на оси болта в месте стыка его тела и головки. Скорость нагрева в этой точке почти вдвое меньше, чем на поверхности в середине болта, так что во избежание перегрева температура кипящего слоя не должна заметно превышать конечную температуру нагрева. В слое с температурой 900° С болт прогревается до 860° С примерно за 3 мин (термопара зачеканена на оси под головкой), в то время как в применяемых в настоящее время электропечах К-160 нагрев до 860° С длится, по нашим экспериментальным данным, 40 мин. За это время в электропечах образуется значительный слой отслаивающейся окалины, в то время как при нагреве в кипящем слое с двухступенчатым сжиганием поверхность получается чистой. Эксперименты показали, что для аустенизации достаточна выдержка болтов из обеих сталей при температуре слоя 860-870° С в течение 10-15 мин. Поскольку скорость охлаждения этих изделий в кипящем слое оказалась недостаточной, закалку осуществляли в масле. Отпущенные после закалки (410° С, 80 мин) болты отличались высокими показателями прочности при достаточной пластичности:

Сталь 40Х: σ_в=147-150 кгс/мм 2 , а_н=3,84-3,27 кгс_*м/см 2 , HB 345-360

Сталь 38ХС: σ_в=165-173,5 кгс/мм 2 , а_н=3,18-4,41 кгс_*м/см 2 , HB 400-430

(ударную вязкость а_н определяли на образцах, предел прочности σ_в на целых болтах).

Параллельно болты М24 из стали 38ХС после выдержки в кипящем слое с температурой 910° С (15 мин) охлаждали в соляной ванне при 360° С (20 мин) с целью получения структуры нижнего бейнита. При достаточно высокой прочности (σ_в = 163 кгс/мм 2 ) была получена значительно большая ударная вязкость (8,65- 10,6 кгс-м/см 2 ). Наконец, часть болтов из стали 38ХС после такого же нагрева выдерживали в масле в течение 42 с, а затем переносили в кипящий слой температурой 360° С. Такой режим позволил повысить предел прочности до 171,5-173 кгс/мм 2 , но несколько снизил ударную вязкость (а_н = 6,25-6,72 кгс.м/см 2 ). Как показали исследования, нагрев в течение 8-10 мин в слое температурой 910° С обеспечивает превращение исходной ферритокарбидной смеси в аустенит и получение достаточно однородных свойств.

Сталь 40Х

Среди всех различных материалов, которые применяются в машиностроительной и других областях, наибольшее распространение получила сталь. Она выпускается в самых различных вариантах исполнения, эксплуатационные качества во многом зависят от химического состава. Процесс легирования позволяет придать материалу определенные эксплуатационные качества. К примеру, высокая концентрация хрома приводит к повышению коррозионной стойкости. Довольно большое распространение получила сталь 40Х. Она представлена легированной структурой, которая может выдерживать несущественное воздействие влаги и некоторых химических веществ. Сталь 40Х, характеристики которой могут быть улучшены при проведении термической обработки, имеет ряд особенностей, о которых далее поговорим подробнее.

Расшифровка стали 40Х

На территории СНГ применяется стандарт ГОСТ 4543-2016, который позволяет определить не только химический состав, но и различные эксплуатационные качества материала.

Скачать ГОСТ 4543-2016

Сталь 40Х ГОСТ определяет следующие вещества в составе:

1. Первая цифра 40 применяется для обозначения основного элемента в составе, которым является углерод. Как правило, большая часть состава приходится на железо, а углерод, концентрация которого составляет 0,44%, определяет основные эксплуатационные характеристики.
2. Следующая буква Х указывает на то, что в составе есть легирующий элемент, представленный хромом. Отсутствие цифры после буквы указывает на то, что концентрация элемента составляет 1,1%. Как ранее было отмечено, хром повышает коррозионную стойкость структуры. Однако, рассматриваемая марка стали 40Х не характеризуется высокими антикоррозионными качествами.
3. Рассматривая 40Х ГОСТ отметим, что в состав входит довольно большое количество никеля, кремния и марганца. Они определяют некоторые эксплуатационные характеристики металла, но они не отмечаются в маркировке.

Расшифровка позволяет определить химический состав и основные эксплуатационные качества материала. Стоит учитывать, что зарубежные производители применяют иные стандарты при маркировке материалов, но химический состав у аналогов примерно схожий.

Химический состав стали

Как ранее было отмечено, химический состав стали 40Х определяется маркировкой. Однако, она не отображает весь состав. Сталь марки 40Х характеризуется следующими особенностями:

1. Показатель концентрации углерода в составе находится в пределе от 0,36% до 0,44%. Отметим, что более точный показатель выдержать производители не могут по причине сложности процесса получения металла.
2. Хром является основным легирующим элементом, его в металле содержится 0,8-1,1%.
3. Процесс производства сплава определяет то, что в металл включается никель, кремний и марганец. Их концентрация не больше 1%, но даже незначительное количество приводит к изменению эксплуатационных характеристик.
4. В составе есть вредные элементы, к примеру, фосфор и сера. Их концентрация строго регламентирована.
5. Также в состав включается медь, но ее около 0,035%. Именно поэтому концентрация этого элемента не изменяет основные эксплуатационные характеристики.

Химический состав стали 40х по ГОСТ

Рафинирование структуры различными легирующими элементами проводится при применении сильных раскислителей, после чего вводится шлак, обрабатываемый кремнием и углеродом.

Физические и механические свойства

Рассматривая механические свойства стали 40Х следует учитывать, что она обладает высокой твердостью и прочностью, структура может выдерживать существенную нагрузку и во время эксплуатации не подвергаться разрушению. Сталь 40Х характеризуется следующими положительными качествами:

1. Достаточно высокая коррозионная стойкость, которая достигается при включении в состав хрома.
2. Высокие прочностные показатели. Твердость измеряется в различных показателях, часто применяется HRC и HB. Показатель твердости соответствует значению 217 МПа.
3. При выборе более подходящего материала уделяется внимание и удельному весу. Плотность стали 40Х составляет 7820 кг/м 3 .

Свойства Ст 40х

Модуль упругости и предел текучести могут варьироваться в достаточно большом диапазоне, что зависит от температуры. К примеру, при существенном повышении температуры модуль упругости падает. Предел текучести определяет то, насколько применим сплав при получении заготовок методом литья.

Есть и несколько существенных недостатков у сплава:

1. Отпускная хрупкость. После закалки структура становится весьма восприимчивой к ударной нагрузке. Снизить вероятность повышения хрупкости можно при соблюдении технологии термической обработки.
2. Высокая степень склонности к образованию флокенов. Она свойственна довольно большому количеству различных сплавов.
3. Плохая свариваемость усложняет процесс изготовления различных изделий. При желании могут применяться самые различные технологии сварки. Процесс существенно упрощается за счет предварительного нагрева структуры. Кроме этого, структура сложна в резке при применении сварочного оборудования.
4. Флокеночувствительность – свойство, которое определяет высокую вероятность появления внутренних трещин после отливки различных изделий. Подобные дефекты часто возникают при горячей деформации легированной стали. Подобные дефекты становятся причиной высокой концентрации водорода во время термической обработки. Снизить вероятность появления дефектов можно за счет строгого соблюдения температурного режима.

В последнее время достаточно часто применяется метод вакуумизации сплава, за счет чего снижается концентрация водорода. Именно поэтому качество полученной структуры существенно увеличивается.

Область применения

По степени свариваемости структуры она относится к 4 группе. Сварочный шов может стать причиной образования различных трещин. Именно поэтому материал 40Х перед выполнением сварочных работ предварительно разогревается, что позволяет избежать просто огромного количества проблем с эксплуатацией полученного изделия.

Кроме этого, требуется проводить предварительную подготовку кромок к выполнению дуговой сварки. При применении контактно-точечной технологии требуется термическая обработка.

Другие свойства рассматриваемого материала определяют его широкое применение. На производственные площадки поставляются заготовки следующего типа:

1. Листы. Листвой металл получил широкое распространение, к примеру, при холодной или горячей штамповке. Кроме этого, листы металл используются при обшивке каркасных конструкций.
2. Поковки используются в качестве основы при создании различных изделий.
3. Трубы сегодня весьма распространены, к примеру, при создании отопительной системы или для транспортировки различной жидкости.
4. Металлопрокат применяется в машиностроительной области в качестве заготовки для различных деталей.

Круг ф 160 ст 40Х с обточкой

После проведения термической обработки Сталь 40 может применяться для получения насадок, разверток и корпусов метчиков. Аналог стали 40Х может использоваться для получения различных ответственных конструкций, к примеру, осей, валов, зубчатых колес, болтов или плунжеров. Аналоги зарубежные могут использоваться для изготовления деталей, которые будут эксплуатироваться на открытом воздухе при низкой температуре. Примером назовем элементы мостов и железнодорожных конструкций.

Для существенного увеличения эксплуатационных характеристик получаемых изделий проводится различная термическая обработка.

Закалка приводит к существенному повышению твердости поверхности, однако хрупкость снизить можно только при отпуске. Достигнуть требуемых показателей можно только при соблюдении особенностей технологии.

Термическая обработка

Во многих случаях термическая обработка позволяет существенно повысить эксплуатационные качества металла. Термическая обработка стали 40Х проводится с учетом особенностей структуры. Рекомендации по выполнению подобной процедуры следующие:

1. Закалка стали 40Х проводится в масляной среде. Это позволяет существенно повысить качество поверхностного слоя структуры.
2. Проводимая закалка 40Х проводится с последующим охлаждением заготовки. Для этого может применяться обычная воздушная или масляная среда. Масло позволяет существенно повысить качество получаемого изделия, в то время как на воздухе охлаждение происходит при больших размерах. Применение водной среды может привести к появлению окалины и других дефектов.
3. Обязательно проводится отпуск, который позволяет снизить внутренние напряжения. Отпуск проводится в масле или на воздухе.

Термообработка стали 40Х проводится в зависимости от нагрузок, на которые рассчитаны изделий. Расчет проводится в зависимости от трех критических точек. Закалка проводится при температуре 860 градусов Цельсия. Показатель часового интервала составляет 4 часа. Отпуск на воздухе может проводиться при температуре 200 градусов Цельсия, при применении масляной ванны показатель повышается до 500 градусов Цельсия. В некоторых случаях проводится нормализация стали 40Х.

При правильном проведении термической обработки твердость после закалки составляет около 217 HB. При этом внутренние напряжения существенно снижаются, за счет чего существенно продлевается срок эксплуатации получаемого изделия.

Свойства Ст 40х при повышенных температурах

В заключение отметим, что рассматриваемая сталь довольно сложна в изготовлении, за счет чего существенно повышается себестоимость. Именно поэтому легированный сплав применяется при изготовлении ответственных изделий, которые должны обладать исключительной прочностью. Поверхность характеризуется достаточно высокой устойчивостью к воздействию влаги, но при этом показатель не соответствует нержавейке. Это связано с тем, что нержавейка имеет в составе хром с концентрацией около 18%. Включение других химических элементов позволяет расширить область применения сплавов.

Конструкционная легированная сталь 40Х

Стали заменители

• 45Х,
• 38ХА,
• 40ХН,
• 40ХС,
• 40ХФ,
• 40ХР.

Иностранные аналоги

ВАЖНО. Возможность замены определяется в каждом конкретном случае после оценки и сравнения свойств сталей

Вид поставки

• Cортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543—71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 10702-78.
• Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73.
• Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955—77.
• Лист толстый ГОСТ 1577—93, ГОСТ 19903-74.
• Полоса ГОСТ 103-76, ГОСТ 1577-93, ГОСТ 82-70.
• Поковки ГОСТ 8479-70.
• Трубы ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 13663-86

Описание и применение

Сталь 40Х относится к конструкционным легированным сталям и применяется для изготовления следующих деталей:

• оси,
• валы,
• вал-шестерни,
• плунжеры,
• штоки,
• коленчатые и кулачковые валы,
• кольца,
• шпиндели,
• оправки,
• рейки,
• зубчатые венцы, болты,
• полуоси,
• втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Расшифровка стали 40Х

Число 40 указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 40Х равно 0,4%.
Буква Х указывает среднее содержания хрома до 1,5%.

Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)

1. В стали 40Х допускается массовая доля остаточных элементов, не более: вольфрама — 0,20 %, молибдена — 0,11 %, ванадия — 0,05 % и остаточного или преднамеренно введенного титана (за исключением стали марок,
   перечисленных в примечании 1 настоящей таблицы) — не более 0,03 %.
2. Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 ГОСТ 4543-2016.

к содержанию ↑

Твердость по Бринелю ГОСТ 4543-2016

Твердость по Бринеллю металлопродукции в отожженном (ОТ) или высокоотпущенном
(ВО) состоянии, а также горячекатаной и кованой металлопродукции, нормализованной с последующим
высоким отпуском (Н+ВО), диаметром или толщиной свыше 5 мм должна соответствовать нормам,
указанным в таблице

Примечание: Согласно ГОСТ 4543-71 твердость калиброванного проката в отожженном или высокоотпущенном состоянии, а также горячекатаного проката в нормализованном с последующим высоким отпуском состоянии может быть на 15 единиц НВ больше.

Свариваемость

Трудносвариваемая.
Способы сварки:

• РДС (ручная дуговая сварка), ЭШС (электрошлаковая сварка). Необходимы подогрев и последующая термообработка.
• КТС (контактная сварка) — необходима последующая термообработка.

Применение стали 40Х для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора, изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)

Применение стали 40Х для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)

Допускается применять крепежные изделия из сталей марки 40Х при температурах ниже минус 40°С до минус 60°С, если при испытании на ударный изгиб образцов типа 11 по ГОСТ 9454 при рабочих отрицательных температурах ударная вязкость не будет ниже 300 кДж/м (3 кгс·м/см ) ни на одном из испытуемых образцов.