Твердость сталей в состоянии поставки
Обновлено: 13.05.2024
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)
| C, углерод | Mn, марганец | Si, кремний | P, фосфор | S, сера | Cr, хром | Ni, никель | Cu, медь | As, мышьяк |
| 0,36-0,44 | 0,5-0,8 | 0,17-0,37 | не более 0,25 | не более 0,04 | не более 0,035 | не более 0,25 | не более 0,25 | не более 0,08 |
Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Al | Ti | V | B | |
| 40Х | 0,36-0,44 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,80-1,10 | — | — | — | — | — | — |
- 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 %. - Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 ГОСТ 4543-2016.
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
| Марка стали | Твердость НВ, не более |
| 40Х | 217 |
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)
| Марка стали | НД на поставку | Температура рабочей среды (стенки), °С | Дополнительные указания по применению |
| 40Х ГОСТ 4543 | Поковки ГОСТ 8479. Сортовой прокат ГОСТ 4543 | От -40 до 450 | Для несварных узлов арматуры с обязательным проведением термообработки (закалка и высокий отпуск) при температуре рабочей среды (стенки) ниже минус 30°С до минус 40°С |
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.
Применение стали для изготовления шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)
| Марка стали | НД на поставку | Температура рабочей среды, °С | Дополнительные указания по применению |
| 40Х ГОСТ 4543 | Сортовой прокат ГОСТ 4543, ГОСТ 1051 | От -40 до 450 | Применяются после улучшающей термообработки (закалка и высокий отпуск) |
Применению стали 40Х для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур
| Марка стали | Закалка + отпуск при температуре, °С | Примерный уровень прочности, Н/мм (кгс/мм 2 ) | Температура применения не ниже, °С | Использование в толщине не более, мм |
| 40Х | 500 | 1000(100) | -60 | 30 |
Стойкость стали 40Х против щелевой эрозии
| Группа стойкости | Балл | Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T |
| Пониженной стойкости | 4 | 0,15-0,25 |
Применение стали 40Х для изготовления основных деталей арматуры атомных станций
| Марка стали | Вид полуфабриката или изделия | Максимально допустимая температура применения, °С |
| 40Х ГОСТ 4543 | Поковки. Крепеж | 500 |
Технологические свойства
- Температура ковки, °С: начала 1250, конца 800. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.
- Обрабатываемость резанием — Kv тв.спл = 1,2 и Kv б.ст = 0,95 в горячекатаном состоянии при HB 163-168 и σв = 610 МПа.
- Флокеночувствительность — чувствительна.
- Склонность к отпускной хрупкости — склонна.
Механические свойства стали 40Х по ГОСТ 4543-2516
Механические свойства металлопродукции, определяемые при температуре 20°С (-10/+15°С) на продольных термически обработанных образцах или образцах, изготовленных из термически обработанных заготовок, должны соответствовать нормам, указанным в таблице
| Режим термической обработки | Закалка | Температура, °С | 860 |
| Среда охлаждения | Масло | ||
| Отпуск | Температура, °С | 500 | |
| Среда охлаждения | Вода или масло | ||
| Механические свойства, не менее | Предел текучести σт, Н/мм 2 | 785 | |
| Временное сопротивление σв, Н/мм 2 | 980 | ||
| Относительное удлинение δ5, % | 10 | ||
| Относительное сужение Ψ, % | 45 | ||
| Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 | 59 | ||
| Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм | 25 | ||
Механические свойства по ГОСТ 4543-71 при нормальной температуре
Предел текучести σт, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ), не менее — 785(80);
Временное сопротивление σв, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ), не менее — 980(100);
Относительное удлинение δ5, %, не менее — 10;
Относительное сужение Ψ, %, не менее- 45;
Ударная вязкость KCU, Дж/см 2 (кгс*м/см 2 ), не менее — 59(6);
Ударная вязкость KCU
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 , при температуре, °С | |||
| +20 | -20 | -40 | -70 | |
| Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 650 °С | 160 | 148 | 107 | 85 |
| Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 580 °С | 91 | 82 | — | 54 |
Механические свойства
| ГОСТ | Состояние поставки | Сечение, мм | КП | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||||
| ГОСТ 4543-71 | Пруток. Закалка с 860 °С в масле, отпуск при 500 °С, охл. в воде или в масле | 25 | — | 780 | 980 | 10 | 45 | 59 | — |
| ГОСТ 8479-70 | Поковка: | ||||||||
| нормализация | 500-800 | 245 | 245 | 470 | 15 | 30 | 34 | 143-179 | |
| 300-500 | 275 | 275 | 530 | 15 | 32 | 29 | 156-197 | ||
| закалка+отпуск | 500-800 | 275 | 275 | 530 | 13 | 30 | 29 | 156-197 | |
| нормализация | До 100 | 315 | 315 | 570 | 17 | 38 | 39 | 167-207 | |
| 100-300 | 14 | 35 | 34 | ||||||
| закалка+отпуск | 300-500 | 315 | 315 | 570 | 12 | 30 | 29 | 167-207 | |
| 500-800 | 11 | 30 | 29 | ||||||
| нормализация | До 100 | 345 | 345 | 590 | 18 | 45 | 59 | 174-217 | |
| 100-300 | 345 | 17 | 40 | 54 | |||||
| закалка+отпуск | 300-500 | 14 | 38 | 49 | |||||
| До 100 | 395 | 395 | 615 | 17 | 45 | 59 | 187-229 | ||
| 100-300 | 15 | 40 | 54 | ||||||
| 300-500 | 13 | 35 | 49 | ||||||
| До 100 | 440 | 440 | 635 | 16 | 45 | 59 | 197-235 | ||
| 100-300 | 14 | 40 | 54 | ||||||
| До 100 | 490 | 490 | 655 | 16 | 45 | 59 | 212-248 | ||
| 100-300 | 13 | 40 | 54 | ||||||
Механические свойства в зависимости от сечения
| Сечение, мм | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость НВ |
| 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 |
Примечание: Закалка с 840-860 °С в масле; отпуск при 580-650 °С, охл. на воздухе.
Механические свойства в зависимости от температуры отпуска
| tотп. °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 | Твердость 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 |
Примечание: Закалка с 850 °С в воде.
Механические свойств при повышенных температурах
| tисп. °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | Ψ, % | KCU, Дж/см 2 |
| Закалка с 830 °С в масле; отпуск при 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 | — |
Термообработка ГОСТ 4543-71
Примечание: Размер сечения заготовки для термической обработки
(диаметр круга или сторона квадрата), мм, не менее — 25.
Выбор материала и необходимая твердость для детали
Добрый день!
Необходима ваша помощь. Есть деталь - державка. Чертеж во вложении.
Подскажите, из какого материала её лучше изготовить и нужно ли её закаливать, если да, то до какой твердости?
Думаем изготовить ее из стали 40Х и закалить до 15. 20 HRC.
нестандартное оборудование, Пневмо-Гидро Системы
А какова твёрдость этой стали в "состоянии поставки" - не такая же случайно?
И ещё инфо для размышления. Резьбу после закалки (до 40.. 50 HRC) нарезать будете? если ДА, то чем?. А если ДО - то не боитесь что поведёт?
Нормальная машиностроительная сталь.
Вот какая твердость в "состоянии плавки" я не знаю. Попробовал проверить твердость на оригинальном держателе, показало в интервале от 15 до 23 HRC.
Я думаю все размеры лучше делать сразу в чистовую, в том числе и нарезать резьбу. Оригинальная деталь внешне темного цвета, будто подкалили и не обрабатывали.
Не знаю, что деталь держит, но думаю, что может и стали 20 хватить. Левый верхний угол сделать радиусом 18 мм, чтоб при зажиме гнулась дуга, а не только два тонких места: слева и вверху.
Защитнодекоративное покрытие, предполагаю что оксидирование
Не плавки, а ПОСТАВКИ (т.е. при покупке). загляните в марочник сталей и постмотрите, как раз 150. 200 НВ и увидите.
Это ни очём не говорит.
А вот до какой степени закаливать это только вам решать. Я не знаю как эта деталь работает, в каких условиях. Когда мне приспичило повысить прочность штуцера (без ТО нужную прочность ни одна обычная сталь не давала. Самая высокая прочность была у 65Г, но и то незначительно выше, чем у 45Х), то одна из мыслей была - а не сделать ли из ХВГ и потом закалить до 50HRC.
Конструктор по сути (машиностроитель)
Немного повангую. Если 15. 20 твердость (официально в таблицах начинается с 21), то это сырая сталь. 40Х - самая распространенная в машиностроении. Т.е. просто взяли что попало в руки и выточили без калки. Получается, как выше сказали, можно даже какую сталь 20 использовать. Если бы нужно было держать нагрузки, в любом случае хотя бы до 35 единиц закалили или двадцатку с цементацией применили (если важен износ по поверхности)
----- добавлено через ~2 мин. -----
Резьбу после закалки (до 40.. 50 HRC) нарезать будете? если ДА, то чем?. А если ДО - то не боитесь что поведёт?
Обычно защищают при калке (получается не выше 32 единиц). Если важна поверхность резьбы, можно прокалибровать. Но вроде автору калка не нужна
Когда решал проблему вышеупомянутого штуцера, то консультировался с технологом производства. В итоге штуцер сделали из 40Х с ТО 35. 40 HRC. Всяких там резьбошлифовальных станков на том производстве не было. Резьбу (М14х1,5 наружная) после ТО не повело, Партия была штук 50.
Liukk, там не столько проблема поводки, сколько хрупкий профиль резьбы получается. Но до 40 единиц нормально, в принципе, работает.
Легированные стали применять в состоянии поставки (кроме поковок по ГОСТ с оговоренным характеристиками) нет никакого смысла - эти стали только под улучшение или закалку ( или цементацию и т.д.), в противном случае их мех. свойства ничем не нормируются и не гарантируются, в ГОСТе и справочниках все мех. свойства приведены только после термообработки. В случае вашей детали в стали 40Х нет никакой необходимости, это только удорожание изделия. Сталь 45,35,20 вполне подойдет под данную деталь., а то и совсем простая Ст3, в зависимости от нагрузок.
15..20 HRC - это не закалка 40Х, а непонятно что. Если уж хочется сделать особо прочную деталь из 40Х, то можно ее улучшить до 269. 302 HB, или закалить до 30..35 HRC. Выше я бы не стал закладывать - деталь будет каленой, но хрупкой, 40Х пружинных свойств не даст, она может просто раколоться от ударной нагрузки.
Механические свойства стали
Несомненно, наиболее важными свойствами стали, которые способствуют ее обширному применению, являются механические. Они подразумевают сочетание очень высокой прочности со способностью значительно изменять форму до окончательного разрушения, например, из-за пластического прогиба.
Были разработаны различные методы для определения данных параметров. Существует множество разновидностей стальных сплавов. Об их механических свойствах и пойдет речь в нашей статье.
Прочность
Прочность данного материала – это то свойство, которое определяет его способность выдерживать значительную внешнюю нагрузку без разрушения. Количественно этот показатель характеризуется пределом текучести и пределом прочности.
- Предел прочности – максимальное механическое напряжение, выше которого стальной сплав разрушается.
- Предел текучести – этот параметр определяет уровень механического напряжения, при превышении которого материал продолжает растягиваться в условиях нулевой нагрузки.
При небольших деформациях стержень ведет себя упруго – он «возвращается» к своей исходной длине, если приложенные напряжения снимаются. Когда последние превышают предел текучести, заготовка начинает пластически деформироваться. Это означает, что она больше не возвращается к своей исходной длине, но получает необратимое удлинение.
При растяжении стержня до разрыва определяется максимальное напряжение, что представляет собой предел прочности на разрыв или предел прочности материала.
Пластичность
Благодаря этому свойству металл меняет свою форму под воздействием внешней нагрузки и сохраняет её впоследствии. Этот показатель количественно оценивается удлинением при растяжении и углом изгиба. Если металл разрушается при простом испытании на изгиб только после большого пластического прогиба, он считается пластичным. Если таковой отсутствует или незначителен, сталь считается хрупкой.
Хорошая пластичность сплава выражается в испытании на растяжение большим удлинением образца и/или его сжатием. Удлинение определяется как процент увеличения длины металла после разрушения до его первоначальной длины. Точно так же сужение в процентах определяет уменьшение площади образца по сравнению с его исходным объемом.
Вязкость
Важным механическим свойством металла является его вязкость. Данная характеристика обозначает способность материала противостоять динамическим нагрузкам. Количественно это свойство оценивается по работе, необходимой для разрушения образца, отнесенной к его площади поперечного сечения. Обычно термин «вязкость» используется для определения уровня способности металла нехрупко разрушаться.
Характер разрушения (хрупкое или пластичное) удобно рассмотреть на примере ферритных стальных сплавов. Все металлы с объемно-центрированной кубической атомной решеткой, как и ферритные стали, имеют один общий недостаток: хрупкий характер разрушения при низких температурах, а при довольно высоких – пластичный характер.
Температура перехода от одного состояния к другому называется температурой вязко-хрупкого перехода.
Другие свойства
Твердость
Сталь обладает и таким механическим свойством, как твердость. Она позволяет металлу противостоять попаданию в него твердых частиц. Его твердость измеряют при помощи индентора – это более твердый материал, который внедряют в сталь до появления отпечатка. Идеальный индентор – алмазный конус, но также применяются металлические шарики. Все методы определения твердости металлов используют механическое воздействие на исследуемый образец – вдавливание индентора. Однако это не приводит к разрушению материала.
На твердость металла влияет зависимость от температуры закалки и содержания углерода. Наиболее распространенными методами замера твердости являются:
- метод Виккерса;
- метод Бринелля;
- метод Роквелла.
Усталость
Усталость стали – это свойство, описывающее постепенное накопление повреждений под действием циклических нагрузок, которое приводит к образованию трещин. Усталостное разрушение имеет ряд отличительных черт. Возникает внезапно, без заметных внешних признаков пластической деформации. При усталостном переломе обычно выделяют две характерные зоны. Первая, имеющая гладкую поверхность, создается за счет появления и постепенного развития усталостной трещины, вторая – это зона окончательного разрушения остальной части сечения изделия.
После возникновения царапины или потертости напряжение в точке концентрации превысит предел текучести. Это приведет к трещинам и другим дефектам, из-за которых металл может разрушиться. Предотвратить разрушение в связи с усталостью металла невозможно, но продлить срок его службы можно, осуществляя регулярный осмотр и профилактику.
Маркировка и свойства разных марок стали
Стальные сплавы классифицируются по нескольким параметрам:
- химический состав (углеродистые, легированные);
- качество (обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные);
- способ проката (конверторные, мартеновские, электростали, особых методов выплавки);
- структура в отожженном состоянии (перлитные, аустенитные, ферритные, карбидные);
- назначение (конструкционные, инструментальные, специального назначения, строительные).
В России по маркировке стали можно приблизительно определить состав и другие ее характеристики, так как для обозначения применяются буквы названий элементов, которые добавляют в сплав, а цифры отображают количественное содержание. Также буквы используются для обозначения уровня раскисления. Для примера, кипящие стали имеют маркировку «КП», полуспокойные – «ПС», а спокойные – «СП».
Тем сплавам, которым присущи обыкновенные свойства, присваивается индекс Ст, вслед за которым указывается условный номер марки (от 0 до 6). Затем обозначается уровень раскисления. Легированные сплавы маркируют при помощи следующих буквенных обозначений легирующих веществ: Н – никель, Ю – алюминий, Х – хром, Т – титан, М – молибден, В – вольфрам. Для быстрорежущих инструментальных сплавов указывается индекс «P» и процентное содержание вольфрама, например P16.
Стали повышенной и высокой прочности (низко- и среднелегированные) поставляются в соответствии с ГОСТами и особыми техническими условиями.
Обозначение легированных сталей в определенной степени отражает их химический состав. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие буквы – легирующие добавки. Число после буквы показывает содержание добавки в процентах, округленное до целых значений. Если количество легирующих компонентов составляет 0,3-1%, то цифру не ставят. Содержание добавки менее 0,3% не наблюдается.
Все о твердости стали
Твёрдость — свойство стали (или другого сплава) оказывать сопротивление сдавливанию более твёрдым телом, например, быстрорежущей сталью или победитом.
Что это такое?
Твёрдость стали – одна из важнейших величин (показателей), имеющих основное значение для её использования при разных условиях. Это значит, что стальной сплав, не обладающий минимально необходимой при выполнении определённых задач твёрдостью, быстро выходит из строя в режиме частой и длительной нагрузки.
Например, гвоздь, будучи изготовленным из железа, в котором почти нет углерода, нельзя было бы вбить даже в деревяшку. Он тут же затупился и согнулся бы. Чтобы избежать подобных ситуаций, в сталь вводят важнейший компонент – углерод. Твёрдость стали по шкале Роквелла должна достигать как минимум 36 единиц, только тогда стальной состав можно будет с большим успехом применить, например, в качестве конструкционного материала.
Но если такое свойство не обеспечивается в полной мере, то железо подлежит переплавке. Чистое железо, не обладающее достаточной твёрдостью, присущей стали, можно встретить только в лабораториях.
Виды шкал по методу измерения
Твёрдость стали как характеристика влияет на конкретное её применение. Она определяется как частное от деления величин нагрузки и площади поверхности друг на друга. Однако различают поверхностную, объёмную и проекционную твёрдость. Поверхностная определяется величиной давления, которую выдерживает заготовка. Проекционная – деление значения силовой нагрузки к площади проекции области давления. Объёмная – та же величина, поделённая на конкретный объём испытуемой зоны.
Макротвёрдость – воздействие от 2 Н до 3 кН силы для внедрения давящего тела в сдавливаемое на глубину в 200 нанометров. Микротвёрдость – сила менее 2 ньютона на ту же глубину. Нанотвёрдость – внедрение тела с любой силой воздействия на глубину менее 200 нм.
По Бринеллю
Суть метода определения твёрдости по Бринеллю сводится к диаметру отпечатка, который оставляется шариком из твёрдого сплава, вжимаемым в испытуемую поверхность. Величина твёрдости в этом случае равна отношению усилия, прилагаемого к шарику, к площади оставленного на поверхности следа испытательной нагрузки. Площадь отпечатка при этом равна площади части поверхности шарика. Значение твёрдости по Бринеллю равно килограммам силового воздействия на квадратный миллиметр. Встречающееся обозначение HB (что значит «твёрдость Бринелля») указывает на неиспользование испытательных шариков для определения искомой величины.
По Роквеллу
Метод Роквелла, по своей сути, напоминает испытание вдавления алмазного конуса в тестируемый материал. Размерность – конкретные единицы, включая производные – не задана. Несмотря на существования нескольких шкал по Роквеллу, используют лишь две из них – A (до 100 единиц) и B (до 130 по HRC). Твёрдость алмаза – максимальная, аналогов у данного материала в природе, да и при промышленном их получении, не существует. Для сравнения, эльбор имеет всего лишь 90, а не 100 единиц твёрдости.
По Моосу
Метод определения твёрдости по шкале Мооса основан на сравнении с эталонами 10 минеральных веществ – от талька до алмаза. К примеру, если испытуемая деталь процарапывается апатитом, но не поддаётся флюориту, то его твёрдость оказалась в диапазоне 4-5 единиц. Но абсолютная твёрдость колеблется от 1 до 1600 единиц.
По Виккерсу
Метод Виккерса несколько отличается от своего предыдущего аналога. Вдавливание осуществляется не конусом, а пирамидкой, из того же алмаза. Единицы измерения – как и в случае метода Бринелля.
По Шору
В отличие от метода Роквелла и иных аналогов вместо алмазного острия применяют закалённую иглу под действием настраиваемой пружины. Область применения – в основном для полимерных, а не стальных составов. Шкала в основном представлена вариантами A – для мягких пластиков, и D – для твёрдых. Для вычисления твёрдости стали определяют не глубину проникновения, а высоту отскакивания иглы или специального бойка.
Другие
Метод Кузнецова–Герберта– Ребиндера состоит в следующем: величина твёрдости вычисляется по времени затухания колебания маятника, опёртого об исследуемый образец.
Метод Польди (двойного отпечатка шарика) заключается в следующем: твёрдость измеряют путём сопоставления с твёрдостью образцовой заготовки и эталонной детали. Последовательно вдавливают шарик в тот и другой образцы.
Метод Бухгольца применяют в основном для выяснения значения твёрдости лака или краски, слой которой успел полностью высохнуть и затвердеть. Для проверки может использоваться любое остриё.
Метод Янка рассчитан для определения твёрдости древесных изделий и заготовок. Предусматривает использование статики и динамики для вычисления значения твёрдости.
Во всех случаях применяются приборы-твердомеры. Покрытие или поверхность основного материала предусматривает разрушение или сохранение поверхностного слоя. Ни один из вышеописанных методов не является истиной в последней инстанции – данные способы применяются в качестве приближённого, оценочного суждения о значениях твёрдости материала той или иной разновидности.
Для одних и тех же сортов стали величины могут существенно отличаться, а диапазоны величин для разных марок стали одного и того же рода – располагаться так, что любые зависимости окажутся в виде отчётливых кривых на графике. А также твёрдость меняется при разных внешних температуре и давлении.
Твёрдость сталей разных марок
Чем твёрже сталь, тем больше в ней должно содержаться углерода. Это задаёт то значение твёрдости, которое превысить не удастся, сколько данную марку сплава ни пытаться перезакалить. Для Ст20 твёрдость по шкале Роквелла в среднем равна 38 единиц, для Ст60 – 63. Повышение твёрдости промежуточных сортов стали начиная от наиболее низкоуглеродистой приближённо линейное. Наибольшей популярностью пользуются сорта стали 3, 30, 20, 53, 20Х, 55, 45, 35, 65Г, 12ХФ, 30Х, 25, 38ХА, при этом легирующие добавки управляют не столько параметром твёрдости, сколько иными – ударной вязкостью, упругостью, стойкостью к коррозии. Например, хромистые стали типа 20Х, 12Х, 30Х, 38ХА – несколько более устойчивы к ржавлению, чем простые их собратья без данной добавки. Никель, к примеру, повышает прокаливаемость. В целом же тенденция к повышению твёрдости прослеживается следующим образом: у Ст3 она не превышает 35 единиц по всё той же шкале Роквелла, у Ст30 в состоянии поставки – уже 44, у проката Ст35 – 47, Ст40 – 53, Ст45 – 57, Ст50 – 59, Ст55 – 61. Стали с содержанием углерода менее 0,3% по массе не поддаются закаливанию – из них изготавливают проволоку и гвозди.
Однако у некоторых высоколегированных и среднелегированных сталей твёрдость по Роквеллу может колебаться в значительных пределах (в режиме закалки и отпускания): 20Х – 55… 63, 65Г – 45… 47, Х12МФ – 61… 64, 30Х – 48… 54, 38ХА – 60… 61,5. Здесь, опять же, отслеживается аналогичная закономерность: чем больше углерода в сплаве, тем выше твёрдость. Однако вместе с ней растёт и способность крошиться при прикладывании к острию значительной силы при разрезании – с увеличением количества углерода по массе состава.
Для сравнения, твёрдость чугуна, содержание угля в котором превышает 2,14% по массе, преодолевает сама себя как явление: хрупкость чугуна настолько велика, что многие чугунные изделия растрескиваются от удара молотка, чего не происходит со стальными.
Как проверить в домашних условиях?
Общеизвестно, что сталь не царапается большинством цветных металлов. Можно попробовать поцарапать заготовкой стеклянную бутылку или осколок от листового оконного стекла, однако такой метод окажется весьма приближённым.
Проверка твёрдости в домашних условиях достигается попыткой высверлить сломанным, но подточенным заново сверлом из быстрорежущей стали. Если сталь при этом затупится, то твёрдость сплава явно превышает 64 единицы по Роквеллу. Сверлить эксклюзивные приборы, например, дорогостоящие ножи, вряд ли кто возьмётся, но просверлить отверстие в обычной детали, которая после подобного испытания вряд ли потеряет исходную функциональность, можно.
Если сталь легко процарапывается осколком бутылочного или оконного стекла, то перед вами, скорее всего, подделка. Быстрорежущую сталь особой твёрдости нелегко процарапать стеклом. А вот твёрдость победита, к примеру, такова, что победитовое сверло не царапается стеклом – скорее оно само его с лёгкостью процарапает.
Чтобы убедиться, что перед вами стальное сверло, а не победитовое, можно попробовать им просверлить глиняный кирпич или гранитный камень. Если при этом оно быстро затупится, то вы столкнулись с обычным сверлом из стали (оно сверлит лишь дерево).
Быстрорежущее сверло можно проверить на качество, просверлив им стальную деталь. Верно и обратное: заострённым обломком старого быстрорежущего сверла, который был подточен вручную, на напильнике или наждачке, высверливают заготовку с той стороны и в том участке, чьё повреждение не влияет на качество работы детали (например, это некритичная комплектующая вроде части стальной рамы). В этом случае проверяется качество закалки, нормализации, отжига или отпуска. Данный приём позволяет проверить, насколько нарушена технология термообработки отдельных деталей устройства, выдержит ли оно заявленный уровень ударно-вибрационной нагрузки.
Кроме механических способов проверки, присутствуют и термические. Например, инструментальная сталь, из которой изготовлен нож, нагревается до температуры закалки, указанной в инструкции к закаливанию конкретной массы стали. Далее инструмент охлаждается в масле. Затем его нагревают до температуры отпуска – и вновь охлаждают. В описании к определённой марке стали указано, что сталь приобретает определённый оттенок при нагреве – нагревать её нужно, пока она не приобретёт данный оттенок, затем вновь охладить. После отпуска исчезнут все усталостные напряжения, и стальной сплав обретёт ту твёрдость, что указана в его описании.
Если оказалось, что твёрдость далека от ожидаемой, значит, вы столкнулись с подделкой, закалить и отпустить изделие, как это наблюдалось бы с заявленной маркой стали, не удастся. Такие изделия годятся лишь для переплавки в качестве металлолома.
Как повысить?
Повышению твёрдости через закаливание и отпускание не подлежат сорта низкоуглеродистой стали. Даже когда изначально кажется, что масло, прижигаемое к поверхности закаливаемой заготовки, превратится в уголь и этим обогатит процентное содержание углерода, то на самом деле это не так. Сталь должна обладать более чем тремя промилле углерода (по массе), только тогда возможно немного повысить её твёрдость в домашних условиях. Дополнительному закаливанию и отпусканию подвергаются все быстрорежущие составы, относящиеся к инструментальным сталям, а также нержавейки начиная с серии Ст-31Х14.
Перед закаливанием рекомендуется выполнить отжиг. Температура отжига, как правило, ниже, чем во время закалки, но заметно выше, чем при отпускании. Например, сталь У12А обладает твёрдостью 64 по шкале Роквелла. Закаливают при 800 по Цельсию – вначале раскалённый инструмент ненадолго (на доли секунды) опускают в воду, затем – несколько раз на это же время – в масло. Сталь эта раскаляется до светло-красного, для чего достаточно применить большой костёр, к примеру, в шашлычнице или печке из огнеупорного кирпича, либо в самодельной муфельной печи. Причём работать эта печь вполне может от спирали, залитой в огнеупорную глину или даже помещённой в керамику. Но в качестве источника нагрева допустимо и использование паяльной лампы – например, газосварки, переведённой из турборежима в режим обычного горения пропана или метана. О том, что раскаливание инструмента происходит штатно, свидетельствует покраснение металла.
Однако, превысив температуру до 1300 и более градусов, велик риск перегреть сплав, из которого изготовлен прокаливаемый инструмент – сталь делается почти белой и окончательно теряет твёрдость.
Сталь 45 конструкционная углеродистая качественная
Цифра 45 указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента, т.е. содержание углерода в стали 45 составляет 0,45%.
Характеристики и назначение
Сталь марки 45 относится к конструкционным углеродистым нелегированным специальным качественным сталям с нормальным содержанием марганца.
Сталь марки 45 применяется для изготовления:
- муфт насосных штанг,
- вал-шестерни,
- валов центробежных насосов,
- штоков грязевых насосов,
- пальцев крейцкопфов грязевых насосов,
- компрессоров,
- роторов,
- стволов и переводников вертлюгов,
- переводников для рабочих и бурильных труб,
- корпусов колонковых долот,
- роликов превентора,
- конических шестерен,
- шестерни,
- фиксаторов и шпонок буровых станков,
- цепных колес буровых лебедок,
- штифтов,
- упорных винтов,
- скалок насосов,
- цапф,
- коленчатые и распределительные валы,
- шпиндели,
- бандажи,
- цилиндры,
- кулачки,
- другие нормализованные, улучшаемые и подвергаемые поверхностной термообработке детали, от которых требуется повышенная прочность.
Применение стали 45 для деталей арматуры и пневмоприводов, не работающих под давлением и не подлежащих сварке, предназначенных для эксплуатации в условиях низких температур
| Марка стали | Закалка + отпуск при температуре, °С | Примерный уровень прочности, Н/мм 2 (кгс/мм 2 ) | Температура применения не ниже,°С | Использование в толщине не более, мм |
| 45 | 500 | 900 (90) | -50 | 20 |
- При термической обработке на прочность ниже указанной в графе 3 или при использовании в деталях с толщиной стенки менее 10 мм температура эксплуатации может быть понижена.
- Максимальная толщина, указанная в графе 5, обусловлена необходимостью получения сквозной прокаливаемости и однородности свойств по сечению.
Применение стали 45 для изготовление крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)
| Марка стали | Технические требования | Допустимые параметры эксплуатации | Назначение | |
| Температура стенка, °С | Давление среды, МПа(кгс/см 2 ), не более | |||
| Сталь 45 ГОСТ 1050 ГОСТ 10702 | СТП 26.260.2043 | От -40 до +425 | 10(100) | Шпильки, болты |
| 16(160) | Гайки | |||
| От -40 до +450 | Шайбы | |||
Пределы применения, виды обязательных испытаний и контроля стали 45 для фланцев для давление свыше 10 МПа (100 кгс/см 2 ) (ГОСТ 32569-2013)
| Марка стали | Технические требования | Наименование детали | Предельные параметры | Обязательные испытания | Контроль | |||||||
| Температура стенка, °С не более | Давление номинальное, МПа(кгс/см 2 ), не более | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB | Дефектоскопия | Неметаллические включения | |||
| Сталь 45 ГОСТ 1050 ГОСТ 10702 | ГОСТ 9399 | Фланцы | От -40 до +200 | 32(320) | 16(160) | + | + | + | + | + | + | — |
Стойкость стали 45 против щелевой эрозии
| Группа стойкости | Балл | Эрозионная стойкость по отношению к стали 12X18H10T |
| Нестойкие | 6 | 0,005-0,05 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Коэффициент эрозионной стойкости материала представляет собой отношение скорости эрозионного износа материала к скорости эрозионного износа стали 12Х18Н10Т (принятой за 1).
Применение стали 45 для изготовления основных деталей арматуры АС
| Материал | Вид полуфабриката или изделия | Максимально допустимая температура применения, °С | |
| Наименование | Марка, НД на материал | ||
| Углеродистая сталь | Сталь 45 ГОСТ 1050 | Поковки, сортовой прокат. Крепеж | 350 |
Вид поставки
- сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1050-88, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 8509-93, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8239-89, ГОСТ 8240-89, ГОСТ 10702-78.
- Калиброванный пруток ГОСТ 1050-74, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78.
- Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77, ГОСТ 10702-78.
- Лист толстый ГОСТ 1577-93, ГОСТ 19903-74.
- Лист тонкий ГОСТ 16523-89.
- Лента ГОСТ 2284-79.
- Полоса ГОСТ 1577-93, ГОСТ 103-76, ГОСТ 82-70.
- Проволока ГОСТ 17305-91, ГОСТ 5663-79.
- Поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70, ГОСТ 1133-71.
- Трубы ГОСТ 8732-78, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 8734-75, ГОСТ 8731-74, ГОСТ 21729-76.
Химический состав, % (ГОСТ 1050-88)
| С | Si | Mn | Cr | S | P | Cu | Ni | As |
| не более | ||||||||
| 0,42-0,50 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | 0,04 | 0,035 | 0,25 | 0,25 | 0,08 |
Химический состав, % (ГОСТ 1050-2013)
| Класс стали | Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu | ||
| не более | |||||||||
| Нелегированные специальные | 45 | 0,42-0,50 | 0,17-0,37 | 0,50-0,80 | 0,030 | 0,035 | 0,25 | 0,30 | 0,30 |
Термообработка
Детали из стали марки 45 подвергаются нормализации при температуре 860-880° С или закалке в воде с температуры 840-860° С с последующим отпуском; температура отпуска устанавливается в зависимости от требуемых механических свойств (рис. ниже).
Так, например, детали буровых установок (шестерни, фиксатор, шпонки) превентора (плита основной опоры, ролики) подвергаются отпуску при температуре 550° С, цепные колеса буровой лебедки — при температуре 500 С.
Влияние азотирования на предел выносливости стали 45
Для деталей, работающих на износ при невысоких контактных нагрузках, углеродистую сталь марки 45 упрочняют по кратковременным режимам азотирования (520—570 °С, Выдержка 1-6 ч).
При этом, несмотря на небольшое увеличение твердости, обеспечивается повышение антифрикционных свойств, сопротивления знакопеременным нагрузкам и коррозии.
| Марка стали | Тип образца | Предел выносливости, кгс/мм 2 | |
| после улучшения | после азотирования | ||
| 45 | Гладкий, d = 7,5 мм | 44 | 61 |
- Азотирование проводилось при 520-540°С, глубина слоя 0,35-0,45 мм.
- На образцах диаметром 7,5 мм надрез с углом 60° и глубиной 0,3 мм.
Твердость закаленного слоя после отпуска HRCэ при высокочастотной закалке
| Марка стали | Твердость закаленного слоя после отпуска HRCэ | Достижимая глубина слоя, мм |
| 45 | 55-60 | 4 |
Температура критических точек, °С
Твердость HB (по Бринеллю) для металлопродукции из стали 45 (ГОСТ 1050-2013)
| Марка стали | не более | |||
| горячекатаной и кованой | калиброванной и со специальной отделкой поверхности | |||
| без термической обработки | после отжига или высокого отпуска | нагартованной | после отжига или высокого отпуска | |
| 45 | 229 | 197 | 241 | 207 |
Твердость на закаленных образцах HRC (по Роквеллу) (ГОСТ 1050-2013)
Механические свойства проката
| Гост | Состояние поставки | Сечение, мм | σв, МПа | δ5(δ4), % | ψ% |
| не менее | |||||
| ГОСТ 1050-88 | Сталь горячекатаная, кованая, калиброванная и серебрянка 2-й категории после нормализации | 25 | 600 | 16 | 40 |
| Сталь калиброванная 5-й категории после нагартовки | Образцы | 640 | 6 | 30 | |
| ГОСТ 10702-78 | Сталь калиброванная и калиброванная со специальной отделкой после отпуска или отжига | — | До 590 | — | 40 |
| ГОСТ 1577-93 | Лист нормализованный и горяче- катаный | 80 | 590 | 18 | — |
| Полоса нормализованная или горячекатаная | 6-25 | 600 | 16 | 40 | |
| ГОСТ 16523-89 | Лист горячекатаный (образцы поперечные) | До 2 2-3,9 | 550-690 | (14) (15) | — |
| Лист холоднокатаный | До 2 2-3,9 | 550-690 | (15) (16) | — | |
Механические свойства поковок (ГОСТ 8479-70)
| Термообработка | Сечение, мма | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 | Твердость HB, не более |
| не менее | |||||||
| Нормализация | 100-300 | 245 | 470 | 19 | 42 | 39 | 143-179 |
| 300-500 | 17 | 35 | 34 | ||||
| 500-800 | 15 | 30 | 34 | ||||
| До 100 | 275 | 530 | 20 | 40 | 44 | 156-197 | |
| 100-300 | 17 | 38 | 34 | ||||
| Закалка, отпуск | 300-500 | 15 | 32 | 29 | |||
| Нормализация, закалка + отпуск | До 100 | 315 | 570 | 17 | 38 | 39 | 167-207 |
| 100-300 | 14 | 35 | 34 | ||||
| 300-500 | 12 | 30 | 29 | ||||
| До 100 | 345 | 590 | 18 | 45 | 59 | 174-217 | |
| 100-300 | 345 | 590 | 17 | 40 | 54 | 174-217 | |
| До 100 | 395 | 620 | 17 | 45 | 59 | 187-229 | |
Механические свойства при повышенных температурах
| tисп, °С | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 |
| Нормализация | |||||
| 200 | 340 | 690 | 10 | 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 | — |
| Сечение, мм | σ0,2, МПа | σв, МПа | δ5, % | ψ% | KCU, Дж/см 2 |
| не менее | |||||
| 15 | 640 | 780 | 16 | 50 | 98 |
| 30 | 540 | 730 | 15 | 45 | 78 |
| 75 | 440 | 690 | 14 | 40 | 59 |
| 100 | 440 | 690 | 13 | 40 | 49 |
ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 850 °С, отпуск при 550 «С. Образцы вырезали из центра заготовок.
Предел выносливости
| Характеристики прочности | σ-1, МПа | τ-1, МПа |
| σ0,2 = 310 МПа, σв = 590 МПа | 245 | 157 |
| σ0,2 = 680 МПа, σв = 880 МПа | 421 | — |
| σ0,2 = 270 МПа, σв = 520 МПа | 231 | — |
| σ0,2 = 480 МПа, σв = 660 МПа | 331 | — |
| Термообработка | KCU, Дж/см 2 , при температуре, °С | |||
| +20 | -20 | -40 | -60 | |
| Пруток диаметром 25 мм | ||||
| Горячая прокатка | 14-15 | 10-14 | 5-14 | 3-8 |
| Отжиг | 42-47 | 27-34 | 27-31 | 13 |
| Нормализация | 49-52 | 37-42 | 33-37 | 29 |
| Закалка + отпуск | 110-123 | 72-88 | 36-95 | 31-63 |
| Пруток диаметром 120 мм | ||||
| Горячая прокатка | 42-47 | 24-26 | 15-33 | 12 |
| Отжиг | 47-52 | 32 | 17-33 | 9 |
| Нормализация | 76-80 | 45-55 | 49-56 | 47 |
| Закалка + отпуск | 112-164 | 81 | 80 | 70 |
Температура ковки, °С: начала 1250, конца 750. Сечение до 400 мм охлаждаются на воздухе.
Обрабатываемость резанием — Кv тв.спл = 1 и Kv б.ст = 1 в горячекатаном состоянии при НВ 170-179 и σв = 640 МПа.
Склонность к отпускной хрупкости — не склонна.
Сталь 45 относится к трудносвариваемым. Способы сварки: РДС и КТС. Необходим подогрев и последующая термообработка.
Прокаливаемость, мм (ГОСТ 1050-88)
Полоса прокаливаемости стали 45 после нормализации при 850 °С и закалки с 830 °С приведена на рисинке ниже.
Читайте также: