Материал детали и его свойства (механические, технологические и химический состав)

Сталь 40ХН ГОСТ 4543-71

 

Химический состав стали или сплава собственного производ­ства определяется по плавочной (ковшевой) пробе, отбираемой при разливке стали в соответствии с ГОСТ 7565-81, а химический состав и марка стали проката — по сертификату металлургиче­ского завода. Химический анализ выполняют в соответствии с ГОСТ 12344-78 — ГОСТ 12365-84.

 

Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

 

C	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Cu
не более
0.36-0.44	0.17-0.37	0.5-0.8	0.45-0.75	1.00-1.40	0.035	0.035	0.30

 

Стандартные справочные данные по механическим свойствам при 20°С проката, поковок и отливок, являются минимальными и должны гарантироваться при выпол­нении установленной технологии. За сечение поковки или отливки принимают ее расчетную толщину (диаметр) под термообработку.

Характеристики механических свойств поковок получены при испытании продольных образцов. При испытании танген­циальных, поперечных и радиальных образцов допускается сни­жение норм механических свойств в соответствии с ГОСТ 8479—70.

Уровень механических свойств поковок из конструкционных марок сталей (приложение № 1 ГОСТ 8479-70) приведен в соот­ветствии с требованиями ГОСТ 8479—70 для соответствующей категории прочности. Механические свойства поковок из марок сталей, не вошедших в приложение № 1 ГОСТ 8479-70, даны на основании обобщения опыта заводов в соответствии с отраслевыми техническими условиями.

Объем, нормы и порядок контроля механических свойств и приемки поковок устанавливаются в соответствии с ГОСТ 8479-70.

Показатели механических свойств отливок относятся к образ­цам, вырезанным из отдельно отливаемых пробных брусков или приливных проб после их соответствующей термообработки, и характеризуют свойства термообработанных по тому же режиму отливок со стенками толщиной до 100 мм. Нормы механических свойств отливки со стенками толщиной более 100 мм в необходимых случаях должны устанавливаться техническими условиями. Объем, нормы и порядок контроля и приемки отливок устанав­ливаются в соответствии с требованиями ГОСТ 977-75 и ГОСТ 2176-77.

Приведенные режимы термической обработки, ковки и других технологических процессов являются рекомендуемыми и могут корректироваться заводскими технологами в зави­симости от химического состава плавки, требований, предъяв­ляемых к обрабатываемым поковкам или отливкам, производствен­ного оборудования и др.

Испытания на растяжение проводят в соответствии с ГОСТ 1497—84, на ударный изгиб — по ГОСТ 9454-78, устало­стные испытания — по ГОСТ 25.502-79. Значения пределов вы­носливости даны с указанием базы испытания (числа циклов), а также в зависимости от предела текучести, временного сопро­тивления разрыву и твердости.

Механические свойства в зависимости от температуры испы­тания приведены по результатам испытаний на ударный изгиб при отрицательных температурах (ГОСТ 9454-78) и на растяже­ние при повышенных температурах (ГОСТ 9651-84).

Результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть указаны по ГОСТ 3248-60 и ГОСТ 10145-62.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют, стали, используемые после закалки и высокого отпуска (улучшения). Стали содержат (0.3-0.5)% С, и их подвергают закалке при (820-880)°С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и высокому отпуску при (550-680)°С. После такой обработки структура стали – сорбит. Стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, а в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках - высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

 

Порог хладноломкости

 

t_н=-100°С – температура, ниже которой излом полностью хрупкий.

t_в=-30°С – температура, выше которой излом полностью вязкий.

Жаростойкость по ГОСТ 6130-71 определяется глубиной про­никновения коррозии, выраженной в миллиметрах в год, при соответствующих условиях (среды, температуры и длительности испытания).

Все данные по коррозионной стойкости указаны в соответствии с ГОСТ 9.908-85 по глубине проникновения кор­розии на допустимую (заданную) глубину с учетом влияния среды, температуры, длительности испытания. Коррозионная стойкость металла оценивается по скорости проникновения коррозии ме­талла, т. е. уменьшению толщины металла вследствие коррозии, выраженному в линейных единицах, к единице времени (мм/год).

При подборе конструкционных материалов следует учитывать, что скорость точечной коррозии на сталях, которые подвержены этому виду разрушения, как правило, в несколько раз превышает скорость общей коррозии.

 

Технологические свойства

 

Свариваемость стали и сплавов является комплексной харак­теристикой стали, определяющейся технологическими трудно­стями, возникающими при сварке, и эксплуатационной надеж­ностью сварных соединений.

В зависимости от сложности технологиче­ских приемов, устраняющих возможность образования трещин при сварке и обеспечивающих получение сварного соединения требуемого качества, стали условно разделяют на четыре группы по свариваемости:

1) стали, свариваемые без ограничения (сварка производится без подогрева и без последующей термообработки);

2) ограниченно свариваемые стали (сварка возможна при подо­греве до 100—120 °С и последующей термообработке);

3) трудно­свариваемые стали (для получения качественных сварных соеди­нений требуются дополнительные операции: подогрев до 200— 300 °С при сварке, термообработка после сварки — отжиг);

4) стали, не применяемые для сварных конструкций.

Свариваемость – трудносвариваемая. РДС, АДС под флюсом, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка.

 

Общепринята оценка характеристик литейных свойств в виде относительных величин коэффициентов, равных отношению показателей для исследуемого и эталонного сплавов, определен­ных по единым методикам. В качестве эталонной принята сталь марки ЗОЛ. Технологичность оценена следующими показателями:

жидкотекучести К_{ж. т.} (отношение значений жидкотекучести данной стали и эталонной);

трещиноустойчивости К_{т. у.} (отношение значений трещиноустойчивости данной стали и эталонной);

склонности стали к образованию усадочных раковин К_{у. р.} (отношение объема усадочной раковины в отливках из данной стали и эталонной);

склонности стали к образованию усадочной пористости К_{у. п.} (отношение пористой зоны в отливках из данной стали и эталон-вой).

Жидкотекучесть определена по спиралевидной пробе по ГОСТ 16438—70. Длина залитой спирали в сантиметрах выражает жидкотекучесть сплава.

Склонность стали к образованию усадочных раковин и пор определена на цилиндрическом образце, переходящем в верхней части в усеченный конус; усадочная пористость — по ширине пористой зоны; трещиноустойчивость — на приборе конструк­ции ЦНИИТМаша. Прибор показывает стойкость стали против образования горячих трещин, которые образуются вследствие заторможенной усадки образцов. Литейные свойства определены при температуре начала затвердевания слитка 50—70 °С.

Механические свойства отливок, поставляемых по ГОСТ 977-75, приведены для отливок II и III групп.

Ковочные свойства оцениваются механическими свойствами в зависимости от температуры испытания в интервале ковочных температур, температурными параметрами ковки и усло­виями охлаждения преимущественно крупных поковок, получае­мых из слитков или заготовок.

Приведенные температурные интервалы ковки являются наи­более широкими, а режимы охлаждения — ускоренными, которые достигнуты на отдельных заводах. Использование на других заводах, а также назна­чение рациональной температуры нагрева металла и условий охлаждения поковок возможно только после предварительного опробования и соответствующей корректировки с учетом местных условий, металлургической технологии, объема ковочных работ, размера поковок, величины садки, состояния печного оборудова­ния и др. Рекомендуемые условия охлаждения металла после ковки в ряде случаев не заменяют режимов предварительной термообработки поковок.

Указанные рекомендации составлены на основании действую­щих заводских технологических инструкций и нормалей, а меха­нические свойства при ковочных температурах — по данным литературных источников и результатов исследований, проведен­ных в ЦНИИТМаше, УЗТМ, УПИ и других организациях.

Температура ковки: начала - 1250°С, конца – 830°С.

Сечения до 50 мм охлаждаются на воздухе, от 51 до 200 мм – охлаждение в мульде, от 201 до 300 мм – с печью.

 

Обрабатываемость стали и сплавов резанием определена для условий получистового точения без охлаждения по чистому ме­таллу резцами, оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8 (для аустенитных сталей и сплавов на нежелезной основе), и рез­цами из быстрорежущей стали Р18, Р12 (для углеродистых и ле­гированных сталей) при постоянных значениях глубины резания 1, 5 мм, подачи 0, 2 мм/об и главного угла в плане резцов φ = 60°.

Обрабатываемость резанием

В горячекатаном состоянии при НВ 166-170 и σ_в=690 МПа; К_{ν тв.спл}=1.0; К_{ν б.ст}=0.9.

К_ν=1.0 (0.9) – без скобок К_ν – для резца, оснащенного твердым сплавом, в скобках – для резца из быстрорежущей стали (Р12, Р18); К_ν – определен относительно стали 45 (НВ 179), скорость резания которой принята за единицу.

 

Прокаливаемость по ГОСТ 5657—69 приведена в виде таблиц полос прокаливаемое (минимальное и максимальное значения твердости в зависимости от расстояния от охлаждаемого участка). Кроме того, приведены критические диаметры при закалке в масле и в воде при определенном количестве мартенсита в структуре.

Прокаливаемость

 

Твердость, HRC_э

Расстояние от торца, (мм).
1.3	3.0	4.5	6.0	9.0	12.0	15.0	21.0	27.0	33.0
52.2-58.5	51.5-58.0	49.5-57	48-56	41.5-54.5	35.5-49	32.3-43.5	28-37.5	26.5-33.5	26-31.5

 

Количество мартенсита; (%)	Критическая твердость; HRCэ	Критический диаметр; (мм)
В воде	В масле
	44-47	60-112	34-76
	50-53	40-86	18-56

 

По склонности к образованию флокенов (флокеночувствительность) деформируемые стали условно разбиты на четыре группы:

o нефлокеночувствительные

o малофлокеночувствительные

o флокено-чувствительные

o повышенной флокеночувствительности.

Флокеночувствительность – повышено чувствительна.

 

Склонность к отпускной хрупкости стали проявляется в сни­жении ударной вязкости при медленном охлаждении после высо­кого отпуска или при длительных выдержках в интервале темпе­ратур 450—600 °С. Стали условно разбиты на три группы:

o не склонные к отпускной хрупкости

o малосклонны

o склонны

Склонность к отпускной хрупкости – склонна.

 

Итак, благодаря большой устойчивости переохлажденного аустенита, хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель, особенно в сочетании с молибденом, сильно снижает порог хладноломкости. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.

В улучшаемые стали, рекомендуется вводить ≤3.0% Ni. При большем содержании никеля получается много остаточного аустенита.

Для тяжелонагруженных деталей с диаметром сечения до 70 мм используют хромоникелевые стали 40ХН; 45ХН; 50ХН, обладающие высокими механическими свойствами.