Сталь 45 модуль юнга

Обновлено: 17.05.2024

Модуль упругости или модуль Юнга – понятие, относящееся к механическим свойствам материалов. Эта величина показывает, насколько твёрдые тела и материалы, из которых они изготовлены, сопротивляются определённой силе, не меняя своей формы.

Что это такое?

Модуль Юнга для твёрдых материалов связан с их пластичностью. Чем больше значение модуля Юнга, тем меньше будет шар из конкретного материала сминаться, а стержень – растягиваться. Изменение формы и состояния тела происходит не только в соответствии с величиной воздействующей на него силы, но и в соответствии с площадью поверхностью и коэффициентами, характеризующими удлинение/укорочение этого же тела.

В простейшем случае в роли испытуемого тела выступают шар или стержень. Модуль упругости – величина, определяющаяся не без влияния закономерности, открытой Гуком. Единица измерения – паскаль. Используются в основном кратные значения (мегапаскали) или килограммы усилия на квадратный сантиметр поверхности. Один кг/см2 – давление в одну земную атмосферу.

На практике модуль Юнга высчитывается для меди, железа, алюминия и всевозможных сплавов на их основе. Растяжение и разрыв – свойства, присущие относительно пластичным материалам. А хрупкие (бетон, чугун и т. д.) материалы исследуются на сжатие до появления видимого растрескивания, сколов, отлома фрагментов испытуемого блока.

Однако упрощённый алгоритм по определению модуля Юнга действует лишь при растягивании и сжатии материала. Что касается смятия, среза и иных нетипичных нагрузок, то здесь понадобится учесть дополнительные характеристики. По определению, жёсткостью является произведение величин: поперечного сечения испытуемого стержня на значение модуля Юнга. Здесь характеризуется не сам материал в отдельности, а пластичность функционального узла в целом.

При определении модуля Юнга используют максимальное удлинение. Например, чтобы вытянуть заготовку диаметром 2 см, потребуется приложить некую силу, в результате чего она станет длиннее на 1 см. Величина удлинения или укорочения безразмерна, в лучшем случае может равняться процентному значению. Определение этой величины зависит от диаметра. При этом поперечное удлинение меньше продольного примерно вчетверо. А вот для определения коэффициента укорочения применяют именно значение длины, а не диаметр. Характерный пример – работа гвоздей на укорочение, заклёпок – на смятие их шляпок и т. д.

Модуль Юнга для определения объёмной упругости учитывает приложение силы, одинаковой со всех сторон. Объёмное давление распределяется по всей поверхности испытуемого тела. Простейший пример – погружение батискафа на дно океана. Все его стенки испытывают относительно равномерное давление со всех сторон. Упругая деформация в полной мере относится к металлам и их сплавам. Следом идут искусственный и естественный камень, нерасслаивающийся пластик и т. д.

Модуль Юнга – изменяющаяся величина. Она зависит от направления и величины силы, которая воздействует на тело. К примеру, можно сжимать шар не с разных сторон, а приложить к нему точечный момент силы, равный по величине сумме значений этих сил. В результате шар не сожмётся более или менее равномерно, а перестанет быть шаром, превратившись, к примеру, в более плоский слиток. Используя модуль Юнга, нетрудно вычислить, например, скорость распространения волны в арматурных стержнях. Она равна квадратному корню из отношения модуля Юнга к плотности стали, из которой получена эта же арматура.

С модулем упругости Юнга для сталей связано значение прочностного сопротивления деформации. Оно может иметь два значения: для кратковременного (момент силы) и долговременного (постепенное сжатие). На практике эти значения выстроены так, что первое больше второго в 2-3 раза. Как и модуль Юнга, оно измеряется в мегапаскалях (МПа) или килограммах силы на квадратный сантиметр (кгс/см2). Это значение определяет, кстати, твёрдость стали и других металлов по шкале Бринелля.

Значения для разных сталей

Пружинные высокоуглеродистые стали (60С2) и штамповочные сорта (9ХМФ) обладают значением модуля Юнга в 2,03. Нержавейки, например, 12Х18Н10Т, 15Х11МФ, — 2,1. Низколегированные среднеуглеродистые сплавы марки 40Х, 30ХГСА — 2,05. Стали конструкционные невысокого качества – Ст6, Ст3, марки 10 и 20 склоняются к значению, равному 2. Конструкционные модели более высокой пробы (45, 40,30, 25, 20) — 2,01. Подшипниковые стали типа ШХ15 – 2,1. Все величины умножаются на миллион килограммов усилия, поделенных на квадратный сантиметр поверхности.

Значение модуля Юнга для стали меняется и в соответствии с формой, технологией изготовления. Например, металлический сердечник для тросов – 1,95 с учётом внешнего плетения. Цельносплетённый канат – 1,9, калёная проволока – 2,1. Приближённый расчёт для большинства конструкций – 2-2,1 без учёта возможных отклонений.

Подстраховка инженеров, берущих значение, равное 2,1, – суровая необходимость для наиболее ответственных сооружений, основными комплектующими в которых являются стальные детали, а не внешний добавочный материал любой плотности и типа.

Как узнать модуль упругости?

Наиболее точными значениями, мало зависящими от типа и вида исполнения деталей, комплектующих и блоков, обладают цветные металлы, например, медь, алюминий, а также все сорта стали. Табличными значениями пользоваться рекомендуется лишь в общих чертах или теоретически, а на практике производится соответствующий перерасчёт. Существуют так называемые онлайн-калькуляторы или скрипты, позволяющие просчитать значение Юнга для любой детали механизма.

Автоматический скрипт обладает функцией ввода температурного диапазона, в котором планируется эксплуатировать рассчитываемый механизм. Расчёт конструкции не обходится без сверки с ГОСТами. Широкомасштабные конструкции и сооружения потребуют сверки модуля Юнга несколько раз.

Если этот момент упустить, то последствия могут оказаться фатальными: многоэтажное здание просядет вскоре после въезда жильцов, а через несколько месяцев или лет оно может полностью обрушиться.

По формуле расчёта модуль Юнга определяется следующим образом: это отношение произведений прилагаемой силы на длину к площади поверхности на удлинение заготовки. Если вы являетесь владельцем строительной компании и у вас есть своя лаборатория, то, к примеру, для стержня ребристой арматуры А3 (А400) диаметром в 14 мм вы вправе перерассчитать этот модуль, опираясь на длину прутов в 11,75 м и сорт стали типа Ст20, из которой они сфабрикованы.

В реальности же уже готовые сваренные конструкции растягивать на разрыв и гнуть на слом никто не будет: в параметры дома или постройки уже вложены значения модуля Юнга с учётом прочностных характеристик уже установленных отсеков или секций возводимого строения. Не утруждая себя долгими перерасчётами, опытные самостройщики берут, например, для фундамента толщину арматуры и число прутьев с запасом, чтобы в первую же зиму основание под стенами не разорвало при морозном пучении грунта.

Модуль упругости стали

При проектировании стальных изделий или элементов конструкций учитывают способность сплава выдерживать разнонаправленные виды нагрузок: ударные, изгибающие, растягивающие, сжимающие. Значение модуля упругости стали, наряду с твердостью и другими характеристиками, показывает стойкость к этим воздействиям.

Например, в железобетонном строительстве используют продольные и поперечные арматурные стержни. В горизонтальной плоскости они подвержены растяжению, а в вертикальной — давлению всей массы конструкции. В местах концентрации напряжений: углы, технологические проемы, лифтовые шахты и лестничные пролеты — размещают большее количество арматуры. Способность бетона впитывать воду служит причиной постоянных изменений сжимающих и растягивающих нагрузок.

Рассмотрим другой пример. В военное время создавалось множество разработок в сфере авиации. Самыми частыми причинами катастроф были возгорания двигателей. Отрываясь от земли, самолет попадает в атмосферные слои с разреженным воздухом и его корпус расширяется, обратный процесс происходит при посадке. Кроме этого, на конструкцию воздействует сопротивление воздушных потоков, давление искривленных слоев воздуха и другие силы. Несмотря на прочность, существующие в то время сплавы не всегда были пригодны для изготовления ответственных деталей, в основном, это приводило к разрывам топливных баков.

В различных видах промышленности из стали изготавливают детали подвижных механизмов: пружины, рессоры. Марки, используемые для таких целей, не склонны к трещинообразованию при постоянно изменяющихся нагрузках.

Упругость твердых тел — это способность принимать исходную форму после прекращения деформирующих воздействий. Например, брусок пластилина обладает нулевой пружинистостью, а резиновые изделия можно сжимать и растягивать. При различных применениях сил к предметам и материалам, они деформируются. В зависимости от физических свойств тела или вещества, различают два вида деформации:

Упругая — последствия исчезают по окончании действия внешних сил;
Пластическая — необратимое изменение формы.

Модуль упругости — название нескольких физических величин, характеризующих склонность твердого тела деформироваться упруго.

Впервые понятие было введено Томасом Юнгом. Ученый подвешивал грузы к металлическим стержням и наблюдал за их удлинением. У части образцов длина увеличилась в два раза, другие — были разорваны в ходе эксперимента.

Сегодня определение объединяет ряд свойств физических тел:

Модуль Юнга: Вычисляется по формуле E= σ/ε, где σ — напряжение, равное силе, деленной на площадь ее приложения, а ε — упругая деформация, эквивалентная отношению удлинения образца с начала деформации и сжатию после ее прекращения.

Модуль сдвига (G или μ): способность сопротивляться деформации при сохранении объема, когда направление нагрузок производится по касательной. Например, при ударе по шляпке гвоздя, если он был произведен не под прямым углом, изделие искривляется. В сопромате величину используют для вычисления сдвигов и кручения.

Модуль объемной упругости или объемного сжатия (К): изменения, вызванные действием всестороннего напряжения, например, гидростатического давления.

Коэффициент Пуансона (Ⅴ или μ): отношение поперечного сжатия к продольному удлинению, вычисляется для образцов материалов. У абсолютно хрупких веществ он равен нулю.

Константа Ламе: энергия, провоцирующая возвращение в исходную форму, вычисляется через построение скалярных комбинаций.

Модуль упругости стали соотносится с рядом других физических величин. Например, при проведении эксперимента на растяжение, важно учитывать предел прочности, превышение которого оборачивается разрушением детали.

Соотношение жесткости и пластичности;
Ударная вязкость;
Предел текучести;
Относительное сжатие и растяжение (продольное и поперечное);
Пределы прочности при ударных, динамических и др. нагрузках.

Применение ряда подходов обусловлено требованиями к механическим свойствам материалов в разных отраслях промышленности, строительства, приборостроения.

Модуль упругости разных марок стали

Наибольшей способностью противостоять деформации обладают рессорно-пружинистые стальные сплавы. Эти материалы характеризуются высоким пределом текучести. Величина показывает напряжение, при котором деформация растет без внешних воздействий, например при сгибании и скручивании.

Характеристики упругости стали зависят от легирующих элементов и строения кристаллической решетки. Углерод придает стальному сплаву твердость, однако в высоких концентрациях снижается пластичность и пружинистость. Основные легирующие добавки, повышающие упругие свойства: кремний, марганец, никель, вольфрам.

Нередко, нужных показателей можно достичь лишь с помощью специальных режимов термообработки. Таким образом все фрагменты детали будут иметь единые показатели текучести, а слабые участки будут исключены. В противном случае изделие может надломиться, лопнуть или растрескаться. Марки 60Г и 65Г обладают такими характеристиками, как сопротивление разрыву, вязкость, стойкость к износу, они применяются для изготовления промышленных пружин и музыкальных струн.

В металлургической промышленности создано несколько сотен марок стали с разными модулями упругости. В таблице приведены характеристики популярных сплавов.

Таблица модулей прочности марок стали

Наименование стали	Модуль упругости Юнга, 10¹²·Па	Модуль сдвигаG, 10¹²·Па	Модуль объемной упругости, 10¹²·Па	Коэффициент Пуассона, 10¹²·Па
Сталь низкоуглеродистая	165…180	87…91	45…49	154…168
Сталь 3	179…189	93…102	49…52	164…172
Сталь 30	194…205	105…108	72…77	182…184
Сталь 45	211…223	115…130	76…81	192…197
Сталь 40Х	240…260	118…125	84…87	210…218
65Г	235…275	112…124	81…85	208…214
Х12МФ	310…320	143…150	94…98	285…290
9ХС, ХВГ	275…302	135…145	87…92	264…270
4Х5МФС	305…315	147…160	96…100	291…295
3Х3М3Ф	285…310	135…150	92…97	268…273
Р6М5	305…320	147…151	98…102	294…300
Р9	320…330	155…162	104…110	301…312
Р18	325…340	140…149	105…108	308…318
Р12МФ5	297…310	147…152	98…102	276…280
У7, У8	302…315	154…160	100…106	286…294
У9, У10	320…330	160…165	104…112	305…311
У11	325…340	162…170	98…104	306…314
У12, У13	310…315	155…160	99…106	298…304

Модуль упругости для металлов и сплавов

Наименование материала	Значение модуля упругости, 10¹²·Па
Алюминий	65—72
Дюралюминий	69—76
Железо, содержание углерода менее 0,08 %	165—186
Латунь	88—99
Медь (Cu, 99 %)	107—110
Никель	200—210
Олово	32—38
Свинец	14—19
Серебро	78—84
Серый чугун	110—130
Сталь	190—210
Стекло	65—72
Титан	112—120
Хром	300—310

Упругость сталей

Наименование стали	Значение модуля упругости, 10¹²·Па
Сталь низкоуглеродистая	165—180
Сталь 3	179—189
Сталь 30	194—205
Сталь 45	211—223
Сталь 40Х	240—260
65Г	235—275
Х12МФ	310—320
9ХС, ХВГ	275—302
4Х5МФС	305—315
3Х3М3Ф	285—310
Р6М5	305—320
Р9	320—330
Р18	325—340
Р12МФ5	297—310
У7, У8	302—315
У9, У10	320—330
У11	325—340
У12, У13	310—315

Предел прочности

Твердые тела способны выдерживать ограниченные нагрузки, превышение предела приводит к разрушению структуры металла, формированию заметных сколов или микротрещин. Возникновение дефектов сопряжено со снижением эксплуатационных свойств или полным разрушением. Прочность сплавов и готовых изделий проверяют на испытательных стендах. Стандартами предусмотрен ряд испытаний:

Продолжительное применение деформирующего усилия;
Кратковременные и длительные ударные воздействия;
Растяжение и сжатие;
Гидравлическое давление и др.

В сложных механизмах и системах выход из строя одного элемента автоматически становится причиной повышения нагрузок на другие. Как правило, разрушения начинаются на тех участках, где напряжения максимальны. Запас прочности служит гарантией безопасности оборудования во внештатных ситуациях и продлевает срок его службы.

Сталь 45: характеристики по ГОСТ и область применения

ГОСТы на прокат из конструкционной углеродистой качественной стали 45:

ГОСТ 19903-74, 1577-93 – лист толстый
ГОСТ 16523-97 – лист тонкий
ГОСТ 8733-74, 8731-74, 8734-75, 21729-76, 8732-78 – труба
ГОСТ 2284-79 – лента
ГОСТ 5663-79, 17305-91 – проволока
ГОСТ 7417-75, 8559-75, 8560-78, 1050-88 – калиброванный пруток
ГОСТ 14955-77 – шлифованный пруток и серебрянка
ГОСТ 82-70, 1577-93, 103-2006 – полоса
ГОСТ 8479-70, 1133-71 – кованые заготовки

Технологические свойства

Все металлы характеризуются различными качествами, которые определяют их область применения. Сталь 45 применяется во всех видах промышленности. Ее можно охарактеризовать следующим образом:

Небольшая стоимость.
Получаемые изделия могут выдерживать частые перепады температуры.
Высокий предел выносливости.
Структура может выдерживать нагрев до температуры 600 градусов Цельсия.

Несмотря на то что сталь 45 характеристики (применение также зависит от того, прошел ли металл термическую обработку) весьма привлекательные, область использования ограничивается несколькими существенными недостатками:

Низкая свариваемость существенно усложнят сварочные работы. Для того чтобы проводить соединение материала данным методом следует предварительно подогревать материал, после получения сварочного шва выполнять термическую обработку.
Плохая обрабатываемость связана с высокой жесткостью. Поэтому материал плохо поддается точению, сверлению или другим механическим обработкам.
Отсутствие легирующих элементов, к примеру, хрома определяет отсутствие антикоррозионных качеств.

Приведенные выше технологические свойства обуславливаются химическим составом рассматриваемой стали.

Сталь 45: характеристики

Этот углеродистый качественный сплав с легкостью переносит температурные испытания, производимые в диапазоне 200-600°C. При удельном весе в 7826 кг/м3, этот металл обладает высокой твердостью – HB 10-1=170МПа.

Плотность стали 45 по ГОСТ 1050-88 составляет 7826-7595 кг/м3 в диапазоне 20-800оС.

Углеродистая качественная сталь 45, твердость по Бринеллю которой составляет 170МПа, имеет модуль упругости в E 10-5 = 2МПа (при 20оС) и предел прочности 245МПа.

Остальные физические и механические характеристики стали 45 представлены ниже:

Краткая характеристика

Сталь обладает плотностью в 7850 кг\м3. Выделяется среди остальных конструкционных сталей по своим механическим характеристикам: предел текучести составляет 640 МПа. Износоустойчива. Хорошо работает в условиях переменных и ударных нагрузок: предел выносливости 245 МПа, ударная вязкость 66 кДж\м2.

Марка 45 пластична и поддается всем видам механической обработки. Коэффициент упругости 2 МПа. Относительное удлинение 15%, а относительное сужение 40%. Значение коэффициента температурного линейного расширения находится в пределах 11,9-15,2 1/град.

Оптимальный интервал температуры работы 200-400 градусов. После прохождения данной отметки механические характеристики значительно падают.

Марка 45 не отличается повышенными антикоррозионными свойствами. Без нанесения защитного слоя поверхность стали покрывается ржавчиной. Химически неустойчива к большинству кислот и щелочей.

Сталь 45 относится к 3-ей группе свариваемости. Процесс ее сварки затруднителен и невозможен без проведения подготовительных работ: подогрев до 150-200 градусов. Сварные швы нестабильны в эксплуатации и подвержены образованию трещин.

Твердость «сырой» стали составляет 20-22 единиц по Роквеллу. Термическая обработка способна увеличить этот показатель сталям данного вида в 2-2,5 раза. Для этого применяют следующие ее виды:

Нормализация проводится главным образом как предварительная термообработка. Ее проводят перед механической обработкой для улучшения процесса резания.
Закалка увеличивает твердость до 50 HRC, повышает устойчивость к абразивному износу и прочность. Закалка всегда производится в воде.
Низкий отпуск проводится с целью более равномерного распределения внутренних напряжений.

Сталь марки 45: применение

Сталь 45 считается материалом трудносвариваемым, однако ему не свойственна отпускная хрупкость. Это достаточно весомый фактор при создании конструкций сложных форм и конфигураций. Сварка данного металла производится 2 способами: КТС и РДС.

Основные характеристики стали 45

Любой сплав имеет свои отличительные характеристики, определенный химический состав, ряд заменителей, функциональное предназначение.

Марки 40, 45, 50 выделяются высокими показателями прочности, имея при этом небольшую вязкость и пластичность. Поскольку механические свойства марки и 45 идентичны маркам 40 и 50, эти стали являются взаимозаменяемыми.

Химический состав и свойства

Химическими составляющими сплава помимо железа и углерода являются и ряд других элементов, количество которых малосущественно. Процентное отношение химических составляющих стали 45:

Железо (Fe) — около 97%.
Углерод (C) — 0,42—0,5%.
Марганец (Mn) — 0,5—0,8%.
Кремний (Si) — 0,17—0,37%.
Никель (Ni) — не больше 0,25%.
Хром (Cr) — не больше 0,25%.
Медь (Cu) — не больше 0,25%.
Мышьяк (As) — не больше 0,08%.
Сера (S) — не больше 0,04%.
Фосфор (P) — не больше 0,035%.

От химического состава стали и структуры напрямую зависят ее химические свойства. Все элементы входящие в состав условно делятся на полезные и вредные. Процесс добавления полезных примесей носит название легирование. Если расшифровать маркировку 45х, то становится ясно что сплав содержит добавление хрома, 45 г — марганца.

Основные химические свойства материала:

степень окисления:
устойчивость к коррозии;
жароустойчивость;
жаропрочность.

Механические характеристики

Для анализа и контролирования свойств стали используют различные методы их определения. К примеру, критерии прочности и пластичность определяют опытным путем, образцы растягивают до разрыва. Твердость сплавов фиксируют измеряя противодействие материала при влиянии на его поверхность твердого элемента, например, алмазного наконечника. Вязкость — ударными испытаниями специальных образцов.

Механические свойства и характеристики стали 45 (при t=20C).

Прочность — способность сплава выносить внешние нагрузки, не подвергаясь при этом разрушениям внутри. Характеризуется величинами: предел прочности, sв [МПа] и предел текучести стали 45, sT [МПа].

труба — ГОСТ 8731–87 , sв =588 МПа, sT =323 МПа;
прокат — ГОСТ 1050–88 , sв=600 МПа, sT =355 МПа;
прокат отожженный — ГОСТ 1050–88 , sв =540 МПа.

Твердость — способность сплава оказывать сопротивление при воздействии твердых тел. Характеризуется величинами: твердость по Н. В. Бринеллю 10—1 [МПа], по Роквеллу HRC [МПа]. Для марки 45 в состоянии поставки:

труба — ГОСТ 8731–87 , HB 10—1 = 207 МПа;
прокат — ГОСТ 1050–88 , HB 10—1 = 229 МПа;
прокат отожженка — ГОСТ 1050–88 , HB 10—1 = 207 МПа.

Пластичность — возможность сплава видоизменять свою форму под влиянием нагрузки и восстанавливать ее по окончании воздействия. Характеризуется величиной, относительное удлинение при разрыве, δ5 [ % ]:

труба — ГОСТ 8731–87 , δ5 =14%;
прокат — ГОСТ 1050–88 , δ5 =16%;
прокат отожженка — ГОСТ 1050–88 — δ5 =13%.

Ударная вязкость — способность материала сопротивляться динамическим воздействиям нагрузки, KCU [ кДж / м2].

Физические свойства

К физическим характеристикам стали относятся: плотность, коэффициент теплового расширения, теплопроводность, модуль упругости, удельная теплоемкость и электропроводность.

Металлические сплавы имеют высокие показатели плотности, теплоемкости и электрической проводимости. Рассмотрим физические свойства марки 45 (при t=20C).

Плотность или удельный вес — масса вещества на единицу объема, плотность стали 45 ГОСТ 1050–88 ρ=7826—7595 кг/м3.

Коэффициент линейного теплового расширения количественно равен относительной перемене линейных размеров вещества при росте (понижении) температуры в сплаве на 1 градус Цельсия, α (1/град).

Теплопроводность вещества — способность отдавать количество тепла от более прогретого участка к менее прогретому. Характеризуется величиной коэффициента теплопроводности, λ [Вт/(м·град)].

Под модулем Юнга подразумевается физическая величина, которая косвенно отображает возможности стали противостоять продольным деформациям (растяжению или сжатию). Эта величина указывает на жесткость материала и является важной физической особенностью, E 10—5=2 МПа;

Удельная теплоемкость — количество тепла, необходимое для нагрева 1 килограмма вещества на 1 градус Цельсия, Ϲ [Дж/(кг·град).

Электропроводность — способность материала быть проводником электрического тока. Характеризуется величиной удельного электрического сопротивления, Ṛ [Ом·м].

Технологические характеристики применение стали 45

Технологические характеристики стали указывают на пригодность сплава к различным методам обработки. Материал имеет следующие технологические характеристики:

Температура процесса ковки, градус — 1250 вначале, 700 в конце. Охлаждение сечений до 400 мм производится при нормальных условиях окружающей среды.
Свариваемость — трудно поддается процессу сварки. Виды сварки: РДС и КТС, с использованием подогрева и последующей термообработки.
Условия для резания — в горячекатаном состоянии при НВ 170—179 МПа и sB = 640 МПа.
Не склонна к отпускной способности после отжига.
Имеет малую флокеночувствительность.

Формирование метода термообработки материала, обусловлено эксплуатационными требованиями относительно деталей и механизмов. В металлообрабатывающей промышленности применяют такие виды обработки: нормализация, улучшение, закалка ТВЧ, закалка с низким отпуском и др.

Среднеуглеродистые стали нашли применение в изготовлении деталей, отличающихся повышенной прочностью материала с повышенным воздействием циклических нагрузок (зубчатые колеса редукторов, шатунные механизмы). Сталь марки 45 применяется при производстве:

шестерен, вал-шестерней, коленчатых и распределительных валов, бандажей, цилиндров, кулачков; шпинделей;
бесшовных труб и каркасных элементов трубопровода, требуют закалки и отпуска стали;
ряда запчастей и конструкций в отрасли мотовелостроения.

Технологический пример. Тиски, круглогубцы и плоскогубцы, выполняют на основе сталей 45 и 50. Производя термическую закалку, в собранном виде, нагревать следует только губки изделия для предохранения от образования закалочных трещин. Для подобного нагрева предназначены свинцовые и соляные ванны. При обработке в камерной печи остывание области с резким переходом (шарнир) должно происходить медленно, опусканием и перемещением в жидкости только поверхности губок инструмента (до потускнения остальной части). Температурный режим процесса отпуска 220—320 градусов в интервале 30—40 минут.

Область применения

Самое большое распространение подобные металлы получили в машиностроении. Это связано с тем, что Сталь 45 позволяет получать дешевые изделия с весьма неплохими эксплуатационными качествами. Примером назовем:

Валы и валы-шестерни. В машиностроительной области весьма распространены валы и валы-шестерни, которые зачастую имеют ступенчатую форму. Подобные изделия становятся частью различных механизмов. Условия эксплуатации определяют возникновение поперечной и продольной нагрузки. Поэтому в приоритете высокая жесткость и прочность.
Шестерни. Для передачи крутящего момента во многих механизмах устанавливаются шестерни. Они представлены зубчатыми колесами, которые имеют посадочное отверстие. Во время работы на шестерню оказываются самые различные нагрузки. Кроме этого, при контакте поверхность зуба подвергается трению. Поэтому высокая твердость позволяет существенно продлить срок эксплуатации подобного изделия.
Трубы и элементы запорных механизмов. Несмотря на плохой показатель свариваемости Сталь 45 применяется также при производстве труб. Запорные механизмы могут применяться при большом давлении среды, и поэтому используемые элементы при их изготовлении должны обладать высокой жесткостью.

Согласно стандартам ГОСТ в виде заготовок выпускаются круги и различный прокат. Непосредственное получение деталей проводится при механической обработке за счет применения токарного или фрезерного оборудования.

Низкая коррозионная стойкость подобного металла определяет то, что в машиностроительной сфере получаемые изделия должны работать при условии постоянной смазки. Примером можно назвать механизмы подачи или скорости токарных станков, которые представлены большим количеством валов с насаженными зубчатыми колесами. Для того чтобы они прослужили дольше, проводиться подача масла, которое снижает трение и вероятность образования коррозии.

Для повышения некоторых качеств изделий проводится термическая обработка. В большинстве случаев она представлена закалкой с последующим отпуском. Для того чтобы исключить вероятность появления структурных дефектов из-за перенасыщения поверхности углеродом, процесс закалки существенно усложняется. Примером можно назвать применение различных соляных ванн для охлаждения. Закалка и отпуск проводятся до чистовой обработки, так как есть вероятность образования окалины и других дефектов.

Механические свойства стали 45 в зависимости от температуры отпуска

Маркировка сплава

Конструкционные углеродистые качественные стали, по стандарту маркируются двузначным числом: сталь 05, 08…80, 85, которое указывает на усредненное значение, содержания углерода выраженное в сотых долях процента. Три цифры маркировки указывает на то что в сплаве содержится более чем 1% углерода, буква Л на отсутствие легировки — 45л, буквы Ст на его обыкновенное качество — Ст5.

Металлургическая промышленность производит стандартные стали марок от 05кп до 60, средний показатель углерода которых 0,05—0,60 процента, соответственно маркировки. Расшифровка марки стали 45 (фран. аналог С45) показывает содержание 0,45% С.

Ценообразование

Лом стали 45 имеет стоимость в пределах 13 000 – 14 000 рублей за тонну. Данная цена ниже, чем у нержавейки и любых цветных металлов, но выше чем у чугунов. Точное значение стоимости лучше узнавать непосредственно в точках приема металлолома, так как на нее влияет много факторов:

Значение котировок на Лондонской бирже черных металлов. Именно ее выбирают за основу стоимости большинство российских металлоприёмщиков.
Соотношения потребительского спроса и предложения в Вашем регионе. Здесь также сказывается удаленность от крупных металлоперерабатывающих заводов.
Процент содержания вредных примесей в составе, особенно серы.
Наличие следов ржавчины на поверхности лома.
Габариты кусков лома.
Вид профиля: шестигранник, лист, квадрат, круг и прочее.
Оплата по наличному или безналичному расчету. Как правило, пункты приема металлолома отдают предпочтение в покупке металла безналичным способом, за что делают соответствующую наценку.
Вес поставки. Предпочтительные объемы составляют от 1000 килограмм.

Механические свойства сталь 45 при повышенных температурах

Температура испытаний, °С	σ0,2 (МПа)	σв(МПа)	δ5 (%)	ψ %	KCU (кДж / м2)
Нормализация
200	340	690	20	36	64
300	255	710	22	44	66
400	225	560	21	65	55
500	175	370	23	67	39
600	78	215	33	90	59
Образец диаметром 6 мм и длиной 30 мм, кованый и нормализованный.
Скорость деформирования 16 мм/мин. Скорость деформации 0,009 1/с
700	140	170	43	96
800	64	110	58	98
900	54	76	62	100
1000	34	50	72	100
1100	22	34	81	100
1200	15	27	90	100

Применение

Сталь марки 45 представляет собой оптимальное соотношение прочности, восприимчивости к механической обработке и цены, что позволило ей достичь широкого распространения в производстве.

Её активно применяют при изготовлении силовых элементов металлоконструкций. Там, где использование сварки является нецелесообразным. Хорошим примером будет направляющая балка тельферной линии. Применение стали 45 вместо Ст3 позволит применять двутавр меньших размеров, что положительно сказывается на общей массе металлоконструкции.

В машино- и станкостроении 45 марка применяется как материал для изготовления таких деталей как валы, шпиндели, кулачки, бандажи, плунжеры, суппорта, планшайбы и прочее.

Отлично подходит для производства конических, цилиндрических передач. Для того, чтобы увеличить срок эксплуатации шестерни необходимо дополнительное упрочнение ее поверхности химическим, термическим или механическим способом.

Помимо этого, 45 применяется для изготовления пружин и рессор, работающих в условиях нагрузок небольшой величины.

Из неё состоят основные элементы гидро- и пневмоцилиндров. В частности, гильза, служащая направлением для напорного поршня, детали обратных и выпускных клапанов, узел крепления, шток и прочее.

Сталь 45

Сталь 45 имеет целый ряд важных характеристик, закрепленных в ГОСТе. Для практических нужд актуальны сведения о твердости марки и ее расшифровке, о плотности и правилах закалки, о пределе текучести. Во внимание придется принять нюансы термообработки, механических свойств и химического состава.

Состав и расшифровка

Марка стали 45 указывает прежде всего на то, что это качественный конструкционный металл с содержанием углерода в среднем 0,45%. Действующие нормативы позволяют делать разброс от 0,42 до 0,5%, и это не будет нарушением со стороны технологов. Характеризуя химический состав сплава, следует указать еще на присутствие:

0,17-0,37% кремния;
0,65% марганца (± 0,15%);
менее чем 0,25% хрома;
менее чем 0,3% никеля;
очень ограниченного количества примесей — серы и фосфора.

Несколько иной состав характерен для продукта, отпускаемого на производство проволоки. В этом случае:

марганца будет от 0,3 до 0,6%;
содержание никеля и хрома — максимум 0,15% на каждый из элементов;
концентрация меди составит не более 0,2%.

Свойства и характеристики

Механические

Основные параметры стали определяют различными способами. Так, пределы текучести и прочности устанавливаются опытным путем. Для проверки твердости необходимо измерить противодействие материала при воздействии твердых деталей. Норматив по разным ГОСТам составляет от 197 до 241 МПа. Определять ударную вязкость нужно в результате протокольных испытаний специально отобранных образцов.

Важно: все основные характеристики требуется определять строго при комнатной температуре. Это относится не только к механическим, но и к другим свойствам. Возвращаясь к основной теме, стоит указать на то, что сталь 45 в состоянии поставки имеет такие пределы прочности и текучести (в мегапаскалях):

для труб — 588 и 323;
для обычного проката — 600 и 355;
для отожженного проката установлен только предел прочности на уровне 540 МПа.

Твердость могут описывать по Бринеллю (что в некоторых источниках ошибочно называют плотностью по Бринеллю), и обозначается это индексом HB. У труб этот показатель составляет 207, у обычного проката — 229 МПа. Но если прокат подвергают отжигу, то его твердость по шкале Бринелля составит 207 МПа. Есть также индекс твердости по Роквеллу, обозначаемый для краткости в ряде случаев HRC. Существуют еще и иные механические показатели стали 45.

Среди них важную роль играет пластичность. Как и у других материалов, даже неметаллических, это свойство подразумевает способность менять свою форму и затем восстанавливать ее, когда воздействие завершается. Ключевой показатель пластичности — относительное удлинение, при превышении которого наступает разрыв. Для отожженного проката это 13%, для обычного проката — 16%. Трубная продукция находится на среднем уровне выносливости к разрывающему усилию — 14%.

Физические

Плотность, или удельный вес, определяется традиционно в кг на м3. Для стали 45 она составляет от 7826 до 7595 кг. Такие показатели измеряют в диапазоне от 20 до 800 градусов. Весьма значимы также коэффициент линейного теплового расширения и коэффициент теплопроводности. Такой физический показатель, как модуль упругости, он же модуль Юнга, для этой стали находится в диапазоне от 211 до 223 единиц.

В специальных справочниках упоминаются также модуль сдвига, модуль объемной упругости и коэффициент Пуассона. Но они представляют интерес исключительно для инженеров и технологов. Теплоемкость сплава принята равной 473-480 единицам. Именно столько джоулей тепловой энергии надо, чтобы 1 кг стали прогреть на 1 градус.

Остальные физические параметры, включая скорость звука в этом сплаве, также крайне важны лишь для узких специалистов.

Технологические

Структура стали 45 в момент нагрева под закалку — типичный мартенсит. Если металл охлаждают с надкритической скоростью, формируется аустенит. После высокого отпуска формируется сорбит. Именно он и позволяет придать наилучшие характеристики материалу. Свариваемость у стали 45 невелика. Приходится прибегать к целому ряду дополнительных манипуляций, успешно решающих эту проблему. Предварительно металл прогревают до 200-300 градусов. После завершения сварочных манипуляций обязательно нужен отжиг. Небольшая прокаливаемость, к сожалению, резко ухудшает и перспективы обработки резанием. Ковать такой сплав начинают при 1250 градусах, а в конце обработки температура должна снизиться на 550 градусов.

Флокеночувствительность относительно мала. Материал нормализуют, также он поддается закалке токами высокой частоты. Отпуск ведут при 220-320 градусах на протяжении 30-40 минут. Говоря про аналоги стали 45, стоит отметить:

американские 1044, 1045, M1044, G10420;
английские 060A47, C45, 080M;
французские 1C45, AF65, XC45;
китайские 45, ML45, ZG310-570;
шведские 1650 и 1672;
бельгийские C46, C45-1;
чешские сплавы 12050 и 12056;
австрийская сталь C45SW;
южнокорейский металл SM45C, SM48C.

Сортамент

Такой материал поставляют в виде:

листа;
полосы;
квадрата;
круга;
поковки;
проката отожженного;
ленты отожженной;
нагартованной ленты;
прутка;
труб.

Обработка

Важнейшей частью технологических манипуляций с этим металлургическим продуктом является отжиг. Нагрев по умолчанию ведется до критических показателей, но не превышает их. При отжиге второго рода их, напротив, можно превысить. Оба варианта обработки помогают:

Обычно углеродистые стали отжигают в режиме полного отжига. Заготовки греют до Ac3 и затем еще на 30-50 градусов дополнительно. Когда это достигнуто, сталь 45 надо остужать довольно медленно. Охлаждение ведут, пока температура не выйдет на диапазон 500-550 градусов. При отжиге как первого, так и второго рода, остужать материал надо в той же печи, где его нагревали.

Иногда отжиг идет на открытом воздухе — такая методика термической обработки называется точнее нормализацией. В этом случае металл оказывается тверже, чем при доменном отжиге. Остывание идет скорее, и именно поэтому перлит образует тонкие зерна. Температура плавления практически не отличается от температуры плавления большинства иных сталей. Надо учитывать, что как отжиг, так и нормализация, являются лишь предварительными фазами термообработки.

Вторым по порядку приемом оказывается закалка. Она также состоит из прогрева и охлаждения. Начинают с надкритического прогрева образца. Далее сталь немедленно остужают в специально подготовленной жидкости. Закалить подобный сплав можно с помощью:

чистой воды;
воды, насыщенной солями;
воды с добавлением 5% каустической соды;
минеральных металлургических масел.

При использовании воды ее температура должна колебаться от 20 до 30 градусов. Каустическая сода должна быть нагрета до 50-60 градусов. Сама сталь в момент начала охлаждения должна быть разогрета до 820-860 градусов. Чтобы добиться этого, преимущественно используют специальные печи, но в некоторых ситуациях прибегают к помощи токов высокой частоты. Время выдержки заготовки по методике ТВЧ оказывается заметно меньше.

После завершения закалки сталь надо отпустить. Подобный прием гарантирует сокращение или полное устранение остаточных напряжений. После отпуска металл будет более вязким, сократится его хрупкость. Но надо учитывать неизбежное уменьшение твердости. Разработаны технологии отпуска, которые подразумевают применение:

печей с искусственной циркуляцией воздуха;
особых ванн с раствором селитры;
ванн с минеральным маслом или расплавленной щелочью.

Сталь 45 может подвергаться:

высокому;
среднему;
низкому отпуску.

Сплав марки 45 является отличным сырьем для получения проката горячим и холодным способами. Речь идет как про плоский, так и про сортовой прокат. Эти варианты продукции, а также поковки, отлично подходят для получения металлоконструкций и машиностроительных изделий, вне зависимости от форм и размеров. Конструкционный материал превосходно годится для получения шпинделей и крепежа. А также его используют при выработке валов, кулачков и шестеренок, осей и плунжеров, балок и консолей, в том числе тех, которые должны быть особенно прочны после термообработки.

Возможна поставка такой стали в формате фасонного или сортового проката в зависимости от потребностей конечного производства. Там из заготовок могут формировать детали в виде тел вращения. Во многих случаях производятся многоступенчатые валы и канавки с различным диапазоном размеров. Получение шестерен из стали 45 бывает весьма трудным с технологической точки зрения. Исходным материалом оказываются круглые заготовки, которые фрезеруют, оказывая повышенное механическое воздействие.

Потому обязательными требованиями подготовки являются закалка, отпуск и иные приемы термообработки. Аналогичным образом производят кулачки и иные серьезно нагружаемые изделия. Но такой сплав применяют еще и для получения крепежных изделий. В подобном случае требуется следовать строгим техническим требованиям.

На основе стали 45 могут получать еще пластины и листы, которые иногда рассчитываются для штамповки и прочих видов обработки давлением — что обязательно надо учитывать при заказе.

Читайте также: