Сталь 40х свойства механические: Конструкционная сталь характеристики, свойства

04 семестр / Домашние задания / Готовые ДЗ варианты Остальные / Остальные / 40Х

МГТУ им. Н. Э. Баумана

Кафедра МТ8

Домашнее задание

по курсу материаловедения

Студент: Клёнкин А. В.

Группа: М2-51

Преподаватель: Силаева В. И.

Москва, 2000г.

Для изготовления шестерней, валов, осей применяется улучшаемая хромистая сталь, легированная бором.

1. Подберите легированную сталь для изготовления оси диаметром 20мм.

Укажите оптимальный режим термической обработки, обеспечивающей получение твердости 265HB, постройте график термической обработки в координатах “температура — время”.

2. Опишите все структурные превращения, происходящие при процессе улучшения стали.

3. Приведите основные сведения об этой стали: ГОСТ, химический состав, свойства, влияние легирующих элементов на прокаливаемость достоинства, недостатки и т.д.

Отчет

Для изготовления шестерней, осей, валов применяют улучшаемую хромистую сталь, легированную бором.

Особенности работы деталей типа оси состоят в том, что в них используют прочность и сопротивление усталости стали. В связи с этим стали должны иметь большой запас прочности и высокий предел выносливости. Детали этого типа работают при статических нагрузках.

Для обеспечения этих свойств вводят легирующие элементы, что повышает конструкционную прочность стали. Их применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. Высокие механические свойства при улучшении возможны лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости, поэтому она служит важнейшей характеристикой при выборе этих сталей. Кроме прокаливаемости важно получить мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости.

К группе легированных конструкционных сталей относятся среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,3…0,5% , которые для улучшения свойств (прокаливаемость, мелкозернистая структура, предел выносливости) дополнительно легируют хромом

( до 2%), никелем (от 1 до 5%), марганцем (до 1,5%), кремнием (до 2%), молибденом и вольфрамом (0,2-0,4 Mo и 0,8-1,2 W), ванадием и титаном (до 0,3% V и 0,1% Ti), а так же микро легируют бором

(0,002-0,005%).

Среднеуглеродистые стали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения – закалки и высокого отпуска (500-650град) на структуру сорбита.

В соответствии с заданием необходимо подобрать легированную сталь. Выбираем сталь 40Х, так как она относится к широко используемым дешевым конструкционным материалам. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, устранение которой требует быстрого охлаждения от температуры высокого отпуска. Эта сталь прокаливается на глубину 15-25 мм и применяется для деталей небольшого сечения.

Примем первый вариант термической обработки: закалку и высокий отпуск. По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали 40Х составляет 850 С (Ас3 – 815 С). В качестве охлаждающей среды выбираем воду. Последующий отпуск назначаем при температуре 600 С

(выше интервала температур необратимой отпускной хрупкости).

Указанный режим термообработки обеспечивает получение следующих свойств (минимальные значения):

0.2 > 720 Мпа;  > 14 %

в > 860 Мпа;  > 60 %

HB  265 после отпуска при 600 С.

Сталь 40Х – сталь перлитного класса до термообработки имеет структуру:

Феррит (Ф) + Перлит (П). П (Ф+Fe3C).

Ф=Fe(C) – твердый раствор, С’ в Fe.

На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас1. При нагреве до Ас1 (743 С.) никаких превращений не происходит. При температуре Ас1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются 2 процесса: полиморфный переход Fe  Fe и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

Ф+П (Ф+Ц) Ас1Ф+Ц+АА+ЦАнеоднородн.Агомогенный

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита. Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом, выше дисперсность структуры перлита (Ф+Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно возрастает дисперсность продуктов его распада, что приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентрации напряжений.

При охлаждении при Vохл. > Vкрит будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe и остаточный аустенит (А). Кристаллы мартенсита М, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали(5000м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита(рис. 2).

Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающее межатомные. При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которая по строению одинаковая, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия. Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается.

Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки.

Свойства мартенсита сталей зависят от растворенного в нем углерода.

Мартенсит имеет очень высокую твердость равную или превышающую HRC 60, при содержании углерода большем 0,4%.

После мартенситного превращения в стали сохраняется небольшое количество остаточного аустенита(1 – 3%). Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объема при переходе ГЦК решетки в ОЦК решетку.

Для придания стали требуемых эксплуатационных свойств, после закалки всегда проводят отпуск. При отпуске снижается уровень напряженного состояния ( в, НВ,, КСV).

До t =80C не происходит никаких структурных изменений. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80.

..200C и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита – смеси пересыщенного углеродом -раствора и когерентных с ним частиц карбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильного -карбида ), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260 C (300 C) и состоит из следующих этапов:

  1. превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

  2. распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15…0,2% , начинается преобразование -карбида в Fe3C –цементит и его обособление, разрыв когерентности;

  3. снижение остаточных напряжений:

  4. некоторое увеличение объема, связанное с переходом АостМотп.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300…400C. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется ферритокарбидная смесь, существенно снижается остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400C активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

В стали 40Х после полной закалки в воде и высокого отпуска при 600C образуется структура сорбита отпуска.

Сталь 40Х. Основные данные. ГОСТ 4543 – 71.

Химический состав: С – 0,36…0,44 %; Ni – не более 0,3%;

Si – 0,17…0,37 %; Cu – не более 0,3%;

Мn – 0,50…0,80 %; S – не более 0,035%

Сr – 0,80…1,10 %; P – не более 0,035%

Назначение – 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.

Прокаливаемость 18 – 25 мм.

Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного (нормализованного) феррита кремний, марганец, никель, т.е. элементы, имеющие отличную от Fe кристаллическую решетку. Слабее влияют молибден вольфрам и хром, изоморфные Fe. Упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, большинство легирующих элементов снижают его ударную вязкость, особенно если их концентрация выше 1%. Исключение составляет никель, который не снижает вязкости. Марганец и хром при содержании до 1% повышают ударную вязкость; при большей концентрации она снижается, достигая уровня нелегированного феррита, примерно при 3% Cr и 1,5% Mn.

Вид поставки – сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543 –71,

ГОСТ 2590 – 71, ГОСТ 2591 – 71, ГОСТ 2879 – 69, 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- 81, ГОСТ 19903 – 74. Полоса ГОСТ 103 – 76,

ГОСТ 1577 – 81, ГОСТ 82 – 70. Поковки ГОСТ 8479 – 70. Трубы

ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8733 – 87, ГОСТ 13663 – 68.

Литература:

  1. Материаловедение. Учебник для вузов под ред. Арзамасова Б.Н. 2-ое издание исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

2. Марочник сталей и сплавов, под ред. Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 1989 г. 640с.

Характеристика материала сталь 40Х

+7 (3812) 95-12-85 spec.krepej@yandex.ru

Характеристика материала 40Х

Марка: 40Х
Заменитель: 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР
Классификация: Сталь конструкционная легированная
Применение: оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.


Химический состав в % материала 40Х

C Si Mn Ni S P Cr Cu
0.36 — 0.44 0.17 — 0.37 0.5 — 0.8 до   0.3 до   0.035 до   0.035 0.8 — 1.1 до   0.3

 

Температура критических точек материала 40Х.
 
Ac1 = 743 ,      Ac3(Acm) = 782 ,       Ar3(Arcm) = 730 ,       Ar1 = 693

Механические свойства при Т=20oС материала 40Х .

Сортамент Размер Напр. sв sT d5 y KCU Термообр.
— мм — МПа МПа % % кДж / м2 —
Диск   Танг. 570 320 17 35 400  
Пруток Ж 28 — 55 Прод. 940 800 13 55 850  
Пруток Ж 25   980 785 10 45 590 Закалка 860oC, масло, Отпуск 500oC, вода,
 
    Твердость материала   40Х   после отжига ,       HB 10 -1 = 217   МПа

 

 
 
 
 
 
Физические свойства материала 40Х .
T E 10— 5 a 10 6 l r C R 10 9
Град МПа 1/Град Вт/(м·град) кг/м3 Дж/(кг·град) Ом·м
20 2.14     7820   210
100 2.11 11.9 46 7800 466 285
200 2.06 12.5 42.7 7770 508 346
300 2. 03 13.2 42.3 7740 529 425
400 1.85 13.8 38.5 7700 563 528
500 1.76 14.1 35.6 7670 592 642
600 1.64 14.4 31.9 7630 622 780
700 1.43 14.6 28.8 7590 634 936
800 1.32   26 7610 664 1100
900     26. 7 7560   1140
1000     28 7510   1170
1100     28.8 7470   120
1200       7430   1230
T E 10— 5 a 10 6 l r C R 10 9

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Технологические свойства материала 40Х .
  Свариваемость: трудносвариваемая.
  Флокеночувствительность: чувствительна.
  Склонность к отпускной хрупкости: склонна.

 

 
 
Обозначения:
Механические свойства :
sв — Предел кратковременной прочности , [МПа]
sT — Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации), [МПа]
d5 — Относительное удлинение при разрыве , [ % ]
y — Относительное сужение , [ % ]
KCU — Ударная вязкость , [ кДж / м2]
HB — Твердость по Бринеллю , [МПа]
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Физические свойства :
T — Температура, при которой получены данные свойства , [Град]
E — Модуль упругости первого рода , [МПа]
a — Коэффициент температурного (линейного) расширения (диапазон 20o — T ) , [1/Град]
l — Коэффициент теплопроводности (теплоемкость материала) , [Вт/(м·град)]
r — Плотность материала , [кг/м3]
C — Удельная теплоемкость материала (диапазон 20o — T ), [Дж/(кг·град)]
R — Удельное электросопротивление, [Ом·м]
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Свариваемость :
без ограничений — сварка производится без подогрева и без последующей термообработки
ограниченно свариваемая — сварка возможна при подогреве до 100-120 град. и последующей термообработке
трудносвариваемая — для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 град. при сварке, термообработка после сварки — отжиг

ОТПРАВИТЬ ЗАЯВКУ

Усталость стали 40X с контролируемой деформацией — STUME Journals

МАТЕРИАЛЫ

  • Rumen Krastev 1
  • Tatiana Simeonova 1
  • Vasil Kavardjikov 2
  • ILIAN Atanasov 3
  • Ludmil DrenchEv 3
      • 44444444444444444444444444444444444444444444444449555
        494444444444444444955 5
          44444444444444444444449.
            49
            1 Институт механики Болгарской академии наук, София, Болгария
          • 2 Институт механики Болгарской академии наук, София, Болгария; Институт металловедения, оборудования и технологий с Центром гидро- и аэродинамики им. акад. А. Балевски» в Болгарской академии наук, София, Болгария
          • 3 Институт металловедения, оборудования и технологий с Центром гидро- и аэродинамики им. акад. А. Балевски» в Болгарской академии наук, София, Болгария

          Аннотация

          Усталостная прочность стали 40X при 25 oC определялась в соответствии со стандартом ASTM E606M для испытаний с контролируемой деформацией. Исследуемая экспериментальная зависимость моделировалась степенной функцией, а также функциями и коэффициентами, описанными в стандарте. Материал проявляет пластические свойства при циклических нагрузках с амплитудой деформации более 0,2 %.

          Ключевые слова

          • 40x сплав
          • Усталость
          • ASTM E606-M

          Каталожные номера

          1. ASTM E606/606M-12 Стандартный метод испытаний на усталость с контролируемой деформацией.
          2. Характеристики стали марки 40Х, https://metinvestholding. com/ru/products/steel-grades/40x
          3. К. Вакуленко, И. Казак, В. Мацевитый. Влияние состояния поверхностного слоя на усталостные характеристики стали 40х. Восток. Евро. Дж. Энтерпр. Техн., 35 (81), с. 18–24 (2016) https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.69644
          4. Д.И. Шетулов, В.В. Мыльников, О.Б. Кондрашкин, А.И. Пронин, Е.А. Чернышов. Применение интерполяционных функций при экспресс-оценке параметров сопротивления усталости. Междунар. J. Appl. и Фонд. Рез. № 3 (2017) URL: www.science-sd.com/471-25288
          5. А.А. Локтев, В.В. Королев, Е.А. Гридасова. ИОП конф. Серия: Materials Science and Engineering 687 (2019) 022036. IOP Publishing doi: 10.1088/1757-899X/687/2/022036
          6. см. Сонсино. Ход SN-кривых, особенно в режиме многоцикловой усталости, с точки зрения конструкции и безопасности компонентов. Междунар. Дж. Усталости. Том 29, выпуск 12, декабрь, стр. 2246-2258, (2007)
          7. Б. Бордман. Сопротивление усталости сталей. Глава в Справочнике ASM, том 1: Свойства и выбор: чугуны, стали и высокоэффективные сплавы. АСМ Интернэшнл. С. 673 – 688. (1990)

          Полный текст статьи