Марка стали 40х: состав, характеристики, свойства, производство, изготовление

Общие сведения стали 40Х

Заменитель марки

стали: 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР.

Вид поставки

Круг 40х, сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7414-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 1577-81, ГОСТ 19903-74. Полоса ГОСТ 82-70, ГОСТ 103-76, ГОСТ 1577-81. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70. Трубы ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8733-87, ГОСТ 13663-68.

Применение

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.

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.

Сколько стоит?

Материал оценивается традиционно: по степени обработки, типу продукта, карте, настроению рынка. Мировая цена определяется Лондонской биржей металлов. В начале июня 2021 года она составляла 506 долларов за тонну обычной стали.

Стоимость стали 40х — от 36 рублей за 1 кг до 55 рублей за 1 кг.

Марка 40Х – назначение

Конструкционная легированная сталь 40Х используется для изготовления улучшаемых деталей, обладающих повышенной прочностью – валы, оси, плунжеры, вал-шестерни, кулачковые/ коленчатые валы, штоки, шпиндели, кольца, зубчатые венцы, рейки, оправки, полуоси, болты, втулки, другие изделия.

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.

Химический состав

На всей территории СНГ характеристики и применение стали 40Х определяются ГОСТом 4543-2016. Он указывает на химический состав и основные эксплуатационные свойства. Расшифровка стали свидетельствует о содержании главных компонентов – углерода и хрома.

Первые два знака обозначают концентрацию основного легирующего элемента – углерода, она находится в диапазоне 0,36-0,40%. Сложно выдержать более точную концентрацию в процессе выплавки металла.

Буква «Х» указывает на присутствие хрома, который улучшает коррозионную стойкость материала. Однако его концентрация не превышает показателя 0,8-1,1% и недостаточна для придания стали достаточной сопротивляемости коррозии.

В состав сплава входят и другие легирующие добавки, не отмеченные в маркировке, но придающие определенные свойства стали 40Х:

• никель – до 0,3%;
• марганец – 0,5-0,8%;
• кремний – 0,17-0,37%;
• медь присутствует в очень небольших количествах, около 0,035%, и не оказывает существенного влияния на механические свойства сплава;
• строго регламентируются концентрации вредных примесей – серы и фосфора, их содержание не превышает 0,035%.

Преимущества и недостатки

Плюсы и минусы материала определяются его свойствами. Среди характеристик стали 40Х особое значение имеют показатели твердости и выносливости. Благодаря наличию хрома в составе сплава, детали, изготовленные из нее:

• имеют высокий запас прочности и устойчивости к коррозии;
• рассчитаны на высокие и длительные нагрузки;
• устойчивы к действию экстремальных температур в диапазоне от -40 до +425 градусов;
• выдерживают резкие перепады температур; магнитные свойства стали 40Х не влияют на ее эксплуатационные характеристики;
• могут эксплуатироваться практически при любых внешних условиях;
• не требуют очищения и обработки поверхностей;
• обладают высоким пределом выносливости и стойкости к короблению.

После закалки карбид, содержащийся в сплаве, полностью растворяется, и металл приобретает более высокую коррозионную устойчивость.

Химические свойства стали 40Х позволяют использовать ее в агрессивных влажных средах. Материал также хорошо поддается операциям резки. По свариваемости сплав относится к 4 группе.

Чтобы избежать трещин на сварочном шве, его следует предварительно разогреть до 200-300 градусов.

Среди недостатков стали отпускная хрупкость и флокеночувствительность, однако технологии термообработки позволяют уменьшить эти свойства до минимальных значений.

Характеристики

К числу характеристик стали 40х относят:

• твёрдость;
• плотность;
• предел текучести/прочности;
• ударную вязкость и пр.

Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	743
Ac3	815
Ar3	730
Ar1	693
Mn	325

Твердость

Твёрдость стали (hb – hrc) может выражаться в разных числовых значениях, в зависимости от шкалы измерения:

• По Роквеллу — методика основана на измерении глубины проникновения индентора (твёрдого наконечника) в исследуемый материал. Твёрдость по этой шкале составляет 217 МПа.
• По Бринеллю — индентор вдавливают в образец металла в течение 2-8 секунд (нагрузка — плавно нарастающая) и измеряют диаметр получившегося отпечатка. В качестве инденторов применяют шарики из прочных сплавов диаметром от 1 до 10 мм. Твёрдость стали 40х по Бринеллю равна 187 МПа.
• В состоянии плавки — твёрдость в период плавления колеблется в пределах 18 МПа.

Обратите внимание! Чем твёрже сталь, тем меньшей прочностью она обладает. В первом случае её невозможно (или сложно) чем-либо поцарапать, во втором — она способна повредиться даже от лёгкого удара (это и есть недостаточная прочность).

Плотность

Плотность стали 40х равна 7820 кг/м³. Плотность вещества является постоянной величиной, и измеряется при помощи гидростатического метода — образец взвешивают в воздухе, а потом в воде, и вычисляют его плотность (отношение массы тела к объёму). Жидкость, используемая в качестве измерения, должна хорошо смачивать материал, но при этом не вступать с ним в реакцию. Поэтому для взвешивания применяют дистиллированную воду.

Марка

Данная марка подразумевает содержание в стали 0,40% углерода и около 1,5% хрома.

Возможные заменители — 45Х, 38ХА, 40ХС и др. Класс: конструкционная легированная. Вид и состояние поставки:

• сортовой прокат (в т. ч. фасонный);
• пруток и серебрянка;
• лист толстый;
• трубы и т. д.

Термин «конструкционная» указывает на то, что металл используется для изготовления различных конструкций, механизмов и деталей, например, в сфере строительства и машиностроения.

Предел прочности

Под пределом прочности понимают такое механическое напряжение, выше которого материал разрушается или деформируется. Максимальная прочность стали в момент сгиба составляет 509 МПа, а при временном сопротивлении — 960 МПа.

Этот показатель измеряется с помощью испытаний на растяжение и деформацию. При этом устанавливают не только предел прочности, но и удлинение, временное сопротивление и др.

Свариваемость

	Без ограничений	Ограниченная	Трудно свариваемая
Подогрев	нет	до 100–1200С	200–3000С
Термообработка	нет	есть	отжиг

Предел текучести

Физический предел текучести — это значение напряжения, при котором деформация испытываемого материала увеличивается без дополнительной нагрузки. Предел текучести стали 40х равен 785 Н/мм2. На конечный результат влияют различные факторы:

• толщина металла;
• режим термообработки;
• наличие примесей в составе продукта;
• дефекты кристаллической решётки и т. д.

 

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

Ударная вязкость данной марки составляет 400 – 850 кДж/кв. м. Предел прочности на разрыв равен 980 Н/м2. Под ударной вязкостью понимают способность металла поглощать механическую энергию, образующуюся в процессе разрушения и деформации.

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

Ковка

Вид полуфабриката	t, 0С	Охлаждение
Размер сечения	Условия
мм
Слиток	1250–800
Заготовка	до 350	На воздухе

Резка

Исходные данные	Обрабатываемость резанием Ku
Состояние	HB, МПа	sB, МПа	твердый сплав	быстрорежущая сталь
горячекатаное	163–168	620	1,2	0,95

Сварка

Свариваемость	Способы сварки	Рекомендации
Трудно свариваемая	ЭШС, РДС, КТС	Подогрев + термообработка

Флокеночувствительность

Чувствительна.

Механические свойства

Механические свойства

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2	HB
Пруток. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500 °С, вода или масло	25	780	980	10	45	59
Поковки. Нормализация. КП 245	500-800	245	470	15	30	34	143-179
Поковки. Нормализация. КП 275	300-500	275	530	15	32	29	156-197
Поковки. Закалка, отпуск. КП 275	500-800	275	530	13	30	29	156-197
Поковки. Нормализация. КП 315	<100	315	570	17	38	39	167-207
Поковки. Нормализация. КП 315	100-300	315	570	14	35	34	167-207
Поковки. Закалка, отпуск. КП 315	300-500	315	570	12	30	29	167-207
Поковки. Закалка, отпуск. КП 315	500-800	315	570	11	30	29	167-207
Поковки. Нормализация. КП 345	<100	345	590	18	45	59	174-217
Поковки. Нормализация. КП 345	100-300	345	590	17	40	54	174-217
Поковки. Закалка, отпуск. КП 345	300-500	345	590	14	38	49	174-217
Поковки. Закалка, отпуск. КП 395	<100	395	615	17	45	59	187-229
Поковки. Закалка, отпуск. КП 395	100-300	395	615	15	40	54	187-229
Поковки. Закалка, отпуск. КП 395	300-500	395	615	13	35	49	187-229
Поковки. Закалка, отпуск. КП 440	<100	440	635	16	45	59	197-235
Поковки. Закалка, отпуск. КП 440	100-300	440	635	14	40	54	197-235
Поковки. Закалка, отпуск. КП 490	<100	490	655	16	45	59	212-248
Поковки. Закалка, отпуск. КП 490	100-300	490	655	13	40	54	212-248

Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/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 отожженный. 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

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2	HB
Закалка 850 °С, вода
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 в зависимости от сечения

Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/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 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

Свойства сплава

Физико-механические свойства стали 40Х позволяют выдерживать высокие нагрузки без разрушения ее структуры:

• плотность – 7820 кг/м3; модуль упругости – 2,14Х10-5;
• коэффициент линейного расширения – 11,9Х106 1/град.;
• удельное электросопротивление – 210Х109 Ом*м;
• ударная вязкость – 160 Дж/см2;
• температура ковки – от 1250 до 800 градусов.

Почти все показатели изменяются в зависимости от температуры. С ее повышением, увеличиваются:

• удельное сопротивление;
• коэффициент линейного расширения;
• удельная теплоемкость.

Обратную зависимость от температуры демонстрируют:

• модуль упругости;
• плотность металла;
• коэффициент теплопроводности.

Важной характеристикой является показатель предела текучести. Он определяется величиной нагрузки, при которой в изделии возникают необратимые деформации. Показатель зависит от нескольких факторов: режима термообработки; типа легирующих добавок и количества вредных примесей; структуры кристаллической решетки.

Для стали 40Х предел текучести уменьшается в диапазоне температур 100-500 градусов от 490 до 345 МПа. Негативное влияние на качество сплава оказывают отпускная хрупкость и флокеночувствительность. Сталь трудносвариваема, требует предварительного подогрева и последующей термообработки.

Термообработка

Режимы термической обработки
1 вариант	Среда	t, 0С	2 вариант	Среда	t, 0С	3 вариант	Охлаждающая среда	t, 0С
Отжиг	с печью	820–840	Нормализация	воздух	850–870	Закалка	масло/ вода	840–875
Отпуск	560–650	Отпуск	воздух/ вода/ масло/ печь	450–650

Марочник стали и сплавов

Виды поставки материала 40Х

B03 — Обработка металлов давлением. Поковки	ГОСТ  8479-70;
В22 — Сортовой и фасонный прокат	ГОСТ  9234-74;   ГОСТ  1133-71;   ГОСТ  11474-76;   ГОСТ  2879-2006;   ГОСТ  2591-2006;   ГОСТ  2590-2006;
В23 — Листы и полосы	ГОСТ  103-2006;   ГОСТ  19903-74;   ГОСТ  82-70;
В32 — Сортовой и фасонный прокат	ГОСТ  8560-78;   ГОСТ  8559-75;   ГОСТ  10702-78;   ГОСТ  7417-75;   ГОСТ  4543-71;   ГОСТ  1051-73;   ГОСТ  14955-77;
В33 — Листы и полосы	ГОСТ  1577-93;
В62 — Трубы стальные и соединительные части к ним	ГОСТ  24950-81;   ГОСТ  23270-89;   ГОСТ  7909-56;   ГОСТ  9567-75;   ГОСТ  8734-75;   ГОСТ  8733-74;   ГОСТ  8732-78;   ГОСТ  8731-87;   ГОСТ  53383-2009;
В71 — Проволока стальная низкоуглеродистая	ГОСТ  1526-81;

 

Область применения

Металлопрокат стали 40Х получил широкое применение в машиностроительных отраслях для производства изделий повышенной прочности и выносливости при воздействии интенсивных нагрузок:

• труб для отопительных систем;
• дисков, роторов для паровых турбин;
• коленчатых и кулачковых валов;
• крепежных деталей.

Листовую сталь используют:

• для холодной и горячей штамповки;
• обшивки каркасных конструкций.

Из прутков, изготовленных по ГОСТу 5950-2000, производят инструменты, применяющиеся в условиях небольших скоростей и температур, не превышающих 2 тыс. градусов.

Применение стали 40Х в промышленности и быту

Как уже отмечалось выше, 40Х относят к легированным, конструкционным материалам. Именно это позволяет её использовать в автомобильной промышленности, так из неё производят карбюраторные иглы, пружинные изделия и пр. Кроме того, из этого материала производят поковки и детали трубопроводной арматуры. Но необходимо помнить о том, что все эти детали должны пройти термическую обработку. В частности, их закаливают в масле, и в нем же отпускают.

В машиностроении сталь 40Х применяют для производства технологической оснастки, в том числе и измерительной, детали компрессоров и многое другое.

Сталь 40Х и её заменители нашли своё применение в быту. В частности, из неё производят кухонную утварь, в частности, ножи. Они легко затачиваются, не подвержены коррозии. Ножи, выполненные из этого материала, могут быть использованы при разделке любых продуктов — мяса, птицы, овощей, фруктов. Можно смело утверждать, что сталь 40Х безвредна для человеческого организма.

Именно это позволяет применять сталь марки 40Х и её производные для изготовления медицинского инструмента, к примеру, медицинских скальпелей и прочего хирургического инструмента.

Но, кроме ряда неоспоримых достоинств, сталь 40Х обладает и рядом технологических недостатков. Так, этот материал обладает невысокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и высоким температурам.

Для получения деталей разной формы применяют различные методы металлообработки, в том числе — точение, фрезерование, шлифование. Сталь 40Х можно отнести к материалам, которые не требуют для обработки какого-либо специального инструмента.

Образцы продукции из стали 40Х

Ниже приводим образцы некоторой продукции, изготавливаемой нашей организацией из стали 40Х.

Входной вал-шестерня редуктора РМ-650»>
Зубчатые колёса редуктора Ц2У-315Н»>
Выходной вал в виде зубчатой полумуфты редуктора РМ-350»>