Сталь 40ХН

Характеристики стали 40ХН

Марака стали 40ХН представляет собой конструкционную легированную сталь. Он относится к классу хромоникелевых материалов. Содержание таких элементов как хром и никель предают стали блестящий цвет и нержавеющие свойства.
Эксплуатационные характеристики и химический состав стали 40ХН характеризуется ГОСТ 4543-71. В состав стали этой марки входит 8 легирующих элементов.

Никель
Марганец
Хром
Углерод
Кремний
Железо
Сера
Фосфор

Процентное соотношение всех элементов, входящих в состав стали 40ХН, смотрите в таблице ниже и на диаграмме.

Ni	Mn	Cr	C	Si	Fe	S	P
от 1 до 1,4	от 0,5 до 0,8	от 0,45 до 0,75	от 0,36 до 0,44	от 0,17 до 0,37	менее 0,3	меньше 0,035	менее 0,035

Описание и история сплава

Название сплава расшифровывается как хромоникелевая конструкционная легированная сталь. За качество стали 40ХН отвечает ГОСТ 4543-71, который относит его к классу высокопрочных сталей для применения в конструкционных целях (хромоникелевый стальной сплав с легирующими элементами). То есть для получения изделий, применяемых при машиностроении и строительстве. Внедрение никеля в состав сплава — улучшает показатель химической устойчивости.

Данный факт впервые был представлен общественности во Франции химиком Жозефом Луи Прустом в 19-ом веке. Он выдвинул теорию о том, что железные метеориты практически не поддаются процессу коррозии из-за входящего в их состав никеля.

Спустя два десятка лет с того момента, Майкл Фарадей впервые изготовил сплав с соединениями железа и никеля, который отличался высокой устойчивостью к процессу коррозии. Однако получить сплав с улучшенными характеристиками по упругости, антикоррозийными свойствами и прочностью к механическому воздействию удалось лишь после химического вывода ковкого никеля. По характеристикам 40ХН имеет большую устойчивость к коррозийному процессу за счет добавления в состав хрома, который также усиливает прочностные свойства стали.

Применение стали 40ХН

Готовые детали из данного материала затем широко используются в промышленности и машиностроении. В этих сфера они представлены в виде:Изделия из стали 40ХН, благодаря свойствам, полученным за счет легирования хромом и никелем, не подвержены истиранию. К тому же они отлично штампуются и паяются.

осей и валов,
зубчатых колес,
валок рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла,
муфт и цилиндров,
валов экскаваторов,
шатунов,
валов-шестерней,
штоков и рычагов,
болтов и шпинделей,
различных нагруженных элементов, подверженных во время работы вибрационным и динамическим нагрузкам,
изделий, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости.

Сталь 40ХН конструкционная легированная

Заменитель

Сталь 45ХН,
Сталь 50ХН,
Сталь 38ХГН,
Сталь 40Х,
Сталь 35ХГФ,
Сталь 40ХНР,
Сталь 40ХНМ,
Сталь 30ХГВТ.

Аналоги

Европа (EN)	1.5711
Германия (DIN, EN)	40NiCr6
США	3140

Расшифровка

Согласно ГОСТ 4543-2016 наименование марок стали состоит из цифр и буквенного обозначения химических элементов:

Цифра 40 перед буквенным обозначением указывает среднюю массовую долю углерода (С) в стали в сотых долях процента, т.е. среднее содержание углерода в стали 0,40%.
Буква Х указывает, что сталь легирована хромом, отсутствие цифры после буквы указывает, что содержание хрома в стали до 1,5%.
Буква Н указывает, что сталь легирована никелем, отсутствие цифры после буквы указывает, что содержание никеля в стали до 1,5%.

Вид поставки

Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88, ГОСТ 10702-78.
Калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78.
Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 14955 — 77.
Лист толстый ТУ 14-1-1930-77.
Полоса ГОСТ 103-76.
Поковка и кованая заготовка ГОСТ 4543-71, ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70.
Валки ОСТ 24.013.21-85
Труба ОСТ 14-21-77.

Характеристики и применение [3]

Сталь 40ХН является хромо-никелевой конструкционной легированной сталью, относится к группе улучшаемой стали и к сталям повышенной прокаливаемости, т.е. прокаливающейся в деталях диаметром 50-75 мм.

Сталь данной марки относится к лучшим образцам конструкционной стали. Комбинация никеля с хромом позволяет применять сталь 40ХН для изготовления деталей ответственного назначения, например:

оси,
валы,
шатуны,
зубчатые колеса,
валы экскаваторов,
муфты,
валы-шестерни,
шпиндели,
болты,
рычаги,
штоки,
цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости.
Валки рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металла.

Так как никель целиком растворяется в твердом растворе, он способствует более значительному увеличению твердости и прочности феррита, чем хром. Особенно важно, что упрочнение здесь сопровождается также увеличением пластичности. При одновременном присутствии в стали никеля и хрома достигается хорошее сочетание механических свойств (прочности и вязкости), а также большая прокаливаемость.

Сталь 40ХН широко применяется в нефтяном машиностроении для изготовления наиболее ответственных деталей, например:

особо нагруженных подъемных, трансмиссионных и промежуточных валов,
зубчатых соединительных муфт,
звездочек ценных передач буровых установок,
пластин и роликов втулочно-роликовых цепей,
осей талевых блоков,
стволов вертлюг,
защелок и осей элеваторов.

При применении стали хромо-никелевой стали необходимо иметь в виду, что она обладает склонностью к отпускной хрупкости особенно в интервале температур 450-550°C. Поэтому детали из этой стали следует после высокого отпуска охлаждать быстро (в воде или в масле). При в ведении в сталь 40ХН небольшого количества молибдена склонность к отпускной хрупкости понижается.

Температура критических точек, °С

Ac1	Ас3	Аr3	Аr1	Mн
735	768	700	660	305

Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

C	Si	Mn	Сr	Ni	P	S	Cu
					не более
0,36-0,44	0,17-0,37	0,50-0,80	0,45-0,75	1,00-1,40	0,035	0,035	0,30

Химический состав, % (ГОСТ 4543-2016)

Массовая доля элементов, %
C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	V	В
0,36-0,44	0,17-0,37	0,50-0,80	0,45-0,75	1,00-1,40	—	—	—	—	—

ПРИМЕЧАНИЕ: Знак «-» означает, что массовую долю данного элемента не нормируют и не контролируют, если иное не указано в 7.1.2.3 (ГОСТ 4543-2016).

Режим умягчающей обработки стали 40ХН [1]

Марка Стали	Операция	Температура нагрева в °C	Условия охлаждения*
40ХН	Отжиг	800-820	30-40° С/ч

Ориентировочные режимы термической обработки стали 40ХН [1]

Марка Стали	Температура нагрева для закалки и нормализации в °C	Охлаждающая среда	Температура отпуска в °C	Механические свойства
				Твердость		Предел прочности при растяжении σв в кГ/мм2	δ в %
				HB	HRC
40ХН	800-840	Масло	180-200	—	45-50	150	8
			550-600	255-286	—	85-95	14-16

ПРИМЕЧАНИЕ. Охлаждение с указанной скоростью до 500°C, а затем на воздухе.

Ориентировочные режимы предварительной термической обработки стали 40ХН [2]

Марка стали	Операция термической обработки	Температура, °C	Способ охлаждения	Твердость HB
40ХН	Нормализация	840-860	На воздухе	207-255
40ХН	Отжиг	800-830	Медленное	187-241

Механические свойства

Источник	Состояние поставки	Сечение, мм	КП	Предел текучести σ0,2, МПа	Предел прочности при растяжении σв, МПа	Относительное удлинение после разрыва δ5 (δ4), %	Относительное сужение ψ, %	KCU, Дж/см2	Твердость HB, не более
Источник	Состояние поставки	Сечение, мм	КП	не менее					Твердость HB, не более
ГОСТ 4543-71	Пруток. Закалка с 820°С в воде или масле; отпуск при 500°С, охл. в воде или масле	25	—	785	980	11	45	69	—
ГОСТ 8479-70	Поковка. Нормализация	100-300	315	315	570	14	35	34	167-207
		300-500	12	30	29	167-207
		500-800	11	30	29	167-207
	Поковка. Закалка+отпуск	300-500	345	345	590	14	38	49	174-217
		До 100	395	395	615	17	45	59	187-229
		100-300	15	40	54
		300-500	13	35	49
		500-800	11	30	39
		До 100	440	440	635	16	45	59	197-235
		100-300	14	40	54
		300-500	13	35	49
		500-800	11	30	39
		До 100	490	490	655	16	45	59	212-248
		100-300	13	40	54
		До 100	540	540	685	15	45	59	223-262
		100-300	13	40	49
		До 100	590	590	735	14	45	59	235-277
		100-300	13	40	49

Механические свойства проката в зависимости от сечения [2]

Сечение, мм	Предел текучести σ0,2, МПа	Предел прочности при растяжении σв, МПа	Относительное удлинение после разрыва δ5, %	Относительное сужение ψ, %	Твердость HB
40	780	960	18	58	325
80	730	920	20	54	302
120	710	910	—	50	300

ПРИМЕЧАНИЕ. Нормализация при 870-925°С; закалка с 790°С в масле; отпуск при 540°С.

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

tотп, °С	Предел текучести σ0,2, МПа	Предел прочности при растяжении σв, МПа	Относительное удлинение после разрыва δ5, %	Относительное сужение ψ, %	KCU, Дж/см2	Твердость HB
400	1220	1370	10	41	32	387
600	1080	1160	14	51	46	302
600	760	910	20	60	83	241

ПРИМЕЧАНИЕ. Закалка с 820°С в масле.

Механические свойства при повышенных температурах

tисп, °С	Предел прочности при растяжении σв, МПа	Относительное удлинение после разрыва δ5, %	Относительное сужение ψ, %
Нормализация при 850°С
20	790	18	48
200	750	—	50
300	690	20	—
400	540	25	65
500	480	25	79
600	350	27	85
Образец диаметром 6мм, длиной 30 мм, кованый и нормализованный. Скорость деформирования 50мм/мин, скорость деформации 0,031/c
700	225	36	92
800	130	57	96
900	91	71	100
1000	62	75	100
1100	45	76	100
1200	31	—	100

Предел выносливости

Характеристики прочности	σ-1, МПа	τ-1, МПа
Предел текучести σ0,2=780 МПа; Предел прочности при растяжении σв=980 МПа;НВ 300-320	490	294
Предел текучести σ0,2=690 МПа; Предел прочности при растяжении σв=880 МПа;НВ 270-300	441	274
Предел текучести σ0,2=570 МПа; Предел прочности при растяжении σв=780 МПа;НВ 200-240	392	235
Предел прочности при растяжении σв=790 МПа; нормализация; НВ 197	314-392(n=107)	—

Ударная вязкость KCU

Состояние поставки	КСU, Дж/см2 при температуре, °С
Состояние поставки	+20	-20	-40	-60
Поковка 200×30мм. Закалка+отпуск	116	116	93	80

ПРИМЕЧАНИЕ. σ4252,6/10000=103 МПа, σ4256/10000=138 МПа, σ4256,1/100000=69 МПа; σ5353,2/10000=21 МПа.

Технологические свойства

Температура ковки, °	Сначала 1250, конца 830. Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, сечения от 51 до 200 мм — охлаждение в мульде, сечения с 201 до 300 мм — с печью.
Свариваемость	Трудносвариваемая. Способ сварки — РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка.
Обрабатываемость резанием	Kv тв.спл. = 1,0 и Kv б.ст. = 0,9 в горячекатанном состоянии при НВ 166-170 и Предел прочности при растяжении σв=690 МПа.
Флокеночувствительность	Повышенно чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости	Склонна

Прокаливаемость

Полоса прокаливаемости для стали 40ХН после нормализации при 850°С и закалки с 820°С приведена на рисунке ниже.

Критический диаметр d после закалки в различных средах

Количество мартенсита,%	Критическая твердость HRCэ	d, мм после закалки
Количество мартенсита,%	Критическая твердость HRCэ	в воде	в масле
50	44-47	60-112	34-76
90	50-53	40-86	18-56

Плотность ρп кг/см3 при температуре испытаний, °С

Сталь	20	100	200	300	400
40ХН	7820	7800	7770	7740	7700

Коэффициент линейного расширения α*106, К-1

Марка стали	α*106, К-1 при температуре испытаний, °С
Марка стали	20-100	20-200	20-300	20-400
40ХН	11,8	12,3	13,4	14,0

Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м*К)

Марка Стали	λ Вт/(м*К), при температуре испытаний, °С
Марка Стали	20	100	200	300	400	500
40ХН	—	44	43	41	39	37

Модуль Юнга (нормальной упругости) Е, ГПа

Марка Стали	При температуре испытаний
Марка Стали	20°С
40ХН	200

Библиографический список

И.С.Каменичный. Краткий справочник технолога термиста. 1963 г.
Фиргер И.В. Термическая обработка сплавов: Справочник. 1982 г.
Шрейбер Г.К., С.М.Перлин, Б.Ф.Шибряев. Конструкционные материалы в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности. 1969 г.

Узнать еще

Сталь 38ХН3МФА конструкционная легированная…

Сталь 20ХН4ФА конструкционная легированная…

Рессорно-пружинная сталь 65

Сталь 15X5M конструкционная теплоустойчивая…

Свойства стали 40ХН

Удельный вес материала составляет 7820 кг/м3. Термическая обработка осуществляется при помощи закаливания и отпуска.

Начальная температура ковки +1250°С, конечная +830°С. Изделия с сечение до 50 мм охлаждаются на воздухе, остывание деталей с сечением от 51 мм до 201 мм происходит в мульде, элементы с сечением до 300 мм охлаждают с печью.

Термообработка стали 40ХН

Закалка и отпуск.Температура ковки, °С: начала 1250, конца 830.

Процесс сварки

Сварочная деятельность с легированными сталями довольно трудна, в связи с особенностями, вызывающими образования хрупких элементов в околошовной зоне из-за закалки (то есть сварка должна исполняться по определенной технологии). В лучшем случае проводить сварочные работы лучше перед отпуском изделия при прогреве или перед отжигом, но исключительно после сварки. Температурное воздействие на сплав 40ХН заключается в закаливание сплава, сопровождающееся дальнейшим отпуском изделия. После таких манипуляций свойства стали приобретают удвоенную выносливость к образованию трещин по сравнению с состоянием до сварочных работ. Предел выносливости стали же возрастает в 6 раз.

Для сварки элементов, изготовленных из этой стали, требуется первоначально добиться твердости Н=2860-3020 МПа. В этом помогает термообработка стали 40ХН, с последующим отпуском в температурах от 550 до 860 градусов Цельсия. Далее изделие подвергается повторному нагреву в электропечи при температурах от 350 до 400 градусов Цельсия.

Затем производится сам процесс сварки в два слоя с обязательной зачисткой от шлака швов в режиме силы сварочного тока от 160 до 200 А. Не мало важно чтобы ток был постоянным с обратной полярностью. Для сварки обычно применяются высококачественные электроды с маркировкой УОНИ 13/55 типа Э50А с диаметром в 4 миллиметра и катетом шва в 8 миллиметров.

Обработка и закалка

После сварочных работ готовая деталь охлаждается за счет понижения температуры при отключении печи, при этом находясь под чутким контролем. В результате таких манипуляций полученный на изделии шов при рентгеновском облучении покажет отсутствие дефектов. Наличие поверхностных трещин проверяется зачисткой и шлифовкой швов с последующим нанесением слоя кислоты.

Также качество сварочного соединения проверяется современными макрошлифами.

Изготовленные с применением подобной технологии изделия успешно проходят макроисследования при котором выявляются плотность строения наплавленного металла в зоне сварочного шва и ближайших к нему зон. Микроструктура в этих местах изменяется от ферритно-перлитной до сербитообразной перлитной. Также образцы деталей из стали 40ХН проходят испытание на твердость, смысл которой в том, чтобы подтвердить неизменность структуры стали в зоне шва после сварки.

Закалка изделий из данного материала происходит в процессе погружения в масло, однако детали крупных габаритов иногда закаливают в воде после чего, как можно скорее, перемещаются в масло или подвергаются воздействию низкий отпуска. Не редкостью является и процесс закаливания высокочастотными токами, после нагрева которыми производится отпуск. В конечном итоге, такие манипуляции повышают твердость поверхности изделия.

Марка Стали	Температура нагрева в °C при скорости нагрева выше Ac1 град/сек
	30-60	100-200	400-500
	Продолжительность нагрева выше Ac1 сек
	2-4	1,0-1,5	0,5-0,8
40ХН	900-940°C	920-960°C	960-1020°C

Сталь 40ХН: характеристики, ГОСТ и аналоги