1040 Сталь: Свойства и основные применения
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Сталь 1040 классифицируется как среднеуглеродистая легированная сталь, в основном состоящая из железа с содержанием углерода примерно 0,40%. Этот сорт стали известен своим балансом прочности, пластичности и твердости, что делает его подходящим для различных инженерных приложений. Основными легирующими элементами в стали 1040 являются марганец, который улучшает закаливаемость и прочность, и кремний, который улучшает деоксидирование в процессе производства стали.
Общий обзор
Сталь 1040 характеризуется средним содержанием углерода, что обеспечивает хорошее сочетание прочности и пластичности. Присутствие марганца не только способствует закаливаемости стали, но и улучшает её ударную вязкость и стойкость к износу. Кремний играет важную роль в повышении стойкости стали к окислению и улучшает её механические свойства.
Преимущества стали 1040:
- Прочность и твердость: Сталь 1040 обладает высокой прочностью на растяжение и твердостью, что делает её подходящей для приложений, требующих долговечности.
- Универсальность: Она может быть термообработана для достижения различных механических свойств, что позволяет настраивать её в зависимости от конкретных потребностей приложения.
- Хорошая обрабатываемость: По сравнению с более высокоуглеродистыми сталями, сталь 1040 предлагает лучшую обрабатываемость, что облегчает её обработку в производственных процессах.
Ограничения стали 1040:
- Коррозионная стойкость: Сталь 1040 обладает ограниченной стойкостью к коррозии, что может требовать защитных покрытий в определенных условиях.
- Проблемы со свариваемостью: Среднее содержание углерода может создавать трудности при сварке, требуя предварительного нагрева и термообработки после сварки, чтобы избежать трещин.
Исторически сталь 1040 широко использовалась в автомобильной и машиностроительной отраслях, где ее механические свойства имеют высокую ценность. Её рыночная позиция остается сильной благодаря балансу между производительностью и экономической эффективностью.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
| Стандартная организация | Обозначение/Сорт | Страна/Регион происхождения | Примечания |
|---|---|---|---|
| UNS | G10400 | США | Ближайший эквивалент AISI 1040 |
| AISI/SAE | 1040 | США | Общепринятое обозначение |
| ASTM | A29/A29M | США | Общая спецификация для углеродной стали |
| EN | C40E | Европа | Незначительные составные различия |
| DIN | 1.0402 | Германия | Сравнимые свойства, используется в Европе |
| JIS | S40C | Япония | Эквивалентная марка с небольшими вариациями |
| GB | Q345B | Китай | Сравнимая, но с различными легирующими элементами |
| ISO | 1040 | Международный | Стандартное обозначение |
Различия между эквивалентными марками часто заключаются в конкретных легирующих элементах и их пропорциях, что может повлиять на производительность стали в конкретных приложениях. Например, хотя как 1040, так и C40E демонстрируют схожие механические свойства, последний может иметь немного другие характеристики закаливаемости из-за вариаций в содержании марганца.
Ключевые свойства
Химический состав
| Элемент (символ и название) | Диапазон процентов (%) |
|---|---|
| C (углерод) | 0.38 - 0.43 |
| Mn (марганец) | 0.60 - 0.90 |
| Si (кремний) | 0.15 - 0.40 |
| P (фосфор) | ≤ 0.04 |
| S (сера) | ≤ 0.05 |
Ключевые легирующие элементы в стали 1040 играют значительную роль:
- Углерод (C): Увеличивает твердость и прочность за счет термообработки.
- Марганец (Mn): Улучшает закаливаемость и ударную вязкость, позволяя лучше справляться с нагрузкой.
- Кремний (Si): Действует как деоксидатор и повышает прочность и стойкость к окислению.
Механические свойства
| Свойство | Условие/Степень | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (метрика) | Типичное значение/Диапазон (имперская) | Справочный стандарт для метода испытания |
|---|---|---|---|---|---|
| Прочность на растяжение | Отпущенная | Температура комнаты | 570 - 700 MPa | 83 - 102 ksi | ASTM E8 |
| Предельная прочность (0.2% сдвиг) | Отпущенная | Температура комнаты | 310 - 450 MPa | 45 - 65 ksi | ASTM E8 |
| Удлинение | Отпущенная | Температура комнаты | 20 - 25% | 20 - 25% | ASTM E8 |
| Твердость (Бринелля) | Отпущенная | Температура комнаты | 170 - 210 HB | 170 - 210 HB | ASTM E10 |
| Ударная прочность | Charpy V-образный | -20 °C | 27 - 35 J | 20 - 26 ft-lbf | ASTM E23 |
Механические свойства стали 1040 делают её подходящей для приложений, требующих высокой прочности и ударной вязкости. Её предельная прочность и прочность на растяжение особенно выгодны в структурных приложениях, в то время как её удлинение указывает на хорошую пластичность, позволяя деформироваться без разрушения.
Физические свойства
| Свойство | Условие/Температура | Значение (метрика) | Значение (имперская) |
|---|---|---|---|
| Плотность | Температура комнаты | 7.85 g/cm³ | 0.284 lb/in³ |
| Температура плавления | - | 1425 - 1540 °C | 2600 - 2800 °F |
| Теплопроводность | Температура комнаты | 50 W/m·K | 29 BTU·in/(hr·ft²·°F) |
| Специальная теплоемкость | Температура комнаты | 0.46 kJ/kg·K | 0.11 BTU/lb·°F |
| Электрическое сопротивление | Температура комнаты | 0.0000017 Ω·m | 0.0000017 Ω·in |
Плотность стали 1040 указывает на её значительную массу, что способствует её прочности в структурных приложениях. Температура плавления важна для процессов, связанных с высокими температурами, тогда как теплопроводность необходима для приложений, требующих рассеивания тепла.
Коррозионная стойкость
| Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Рейтинг стойкости | Примечания |
|---|---|---|---|---|
| Атмосферный | Разные | Окружающая | Умеренная | Подвержена ржавчине |
| Хлориды | Низкая | Окружающая | Плохая | Риск коррозии с образованием язв |
| Кислоты | Разные | Окружающая | Плохая | Не рекомендуется |
| Щелочные | Разные | Окружающая | Умеренная | Умеренная стойкость |
Сталь 1040 демонстрирует умеренную стойкость к атмосферной коррозии, но подвержена ржавчине, особенно в сырых условиях. Её эффективность в условиях, богатых хлоридами, плохая, что приводит к коррозии с образованием язв. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как 304 или 316, коррозионная стойкость стали 1040 значительно ниже, делая её менее подходящей для морских или химических приложений.
Тепловая стойкость
| Свойство/Предел | Температура (°C) | Температура (°F) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Максимальная температура непрерывной эксплуатации | 400 °C | 752 °F | Свыше этого свойства ухудшаются |
| Максимальная температура периодической эксплуатации | 500 °C | 932 °F | Кратковременное воздействие |
| Температура окисления | 600 °C | 1112 °F | Риск окисления при этой температуре |
| Соображения по прочности при ползучести | 400 °C | 752 °F | Начинает значительно ослабляться |
При повышенных температурах сталь 1040 сохраняет свою прочность до примерно 400 °C (752 °F), но начинает терять свои механические свойства за пределами этого диапазона. Окисление может происходить при более высоких температурах, требуя защитных покрытий или альтернативных материалов в приложениях с высокими температурами.
Свойства обработки
Свариваемость
| Процесс сварки | Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS) | Типичный защитный газ/сварочный флюс | Примечания |
|---|---|---|---|
| MIG | ER70S-6 | Аргон/CO2 | Рекомендуется предварительный нагрев |
| TIG | ER70S-2 | Аргон | Требуется термообработка после сварки |
| Электрод | E7018 | - | Требует предварительного нагрева |
Сталь 1040 может быть сварена различными методами, однако часто необходим предварительный нагрев, чтобы предотвратить трещины. Термообработка после сварки может дополнительно повысить целостность шва. Тщательный выбор filler metals важен для поддержания желаемых механических свойств.
Обрабатываемость
| Параметр обработки | [Сталь 1040] | AISI 1212 | Примечания/Советы |
|---|---|---|---|
| Индекс относительной обрабатываемости | 70 | 100 | 1212 более обрабатываемая |
| Типичная скорость резания (токарная обработка) | 30 m/min | 50 m/min | Подгонять под износ инструмента |
Сталь 1040 обладает хорошей обрабатываемостью, хотя она не так проста в обработке, как низкоуглеродистые стали. Необходимо выбирать оптимальные скорости резания и инструменты, чтобы минимизировать износ и достичь желаемых поверхностных характеристик.
Формуемость
Сталь 1040 демонстрирует умеренную формуемость. Холодная формация возможна, но следует проявлять осторожность, чтобы избежать упрочнения, что может привести к трещинам. Горячая формация также возможна, что позволяет достигать сложных форм.
Термообработка
| Процесс обработки | Температурный диапазон (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
|---|---|---|---|---|
| Отжиг | 700 - 800 °C / 1292 - 1472 °F | 1 - 2 часа | Воздух | Умягчение, улучшение пластичности |
| Закалка | 800 - 850 °C / 1472 - 1562 °F | 30 минут | Масло/вода | Закалка |
| Отпуск | 400 - 600 °C / 752 - 1112 °F | 1 час | Воздух | Снижение хрупкости, увеличение прочности |
Процессы термообработки значительно изменяют микроструктуру стали 1040, повышая её твердость и прочность. Закалка, за которой следует отпуск, обычно используется для достижения желаемого баланса между пластичностью и твердостью.
Типичные применения и области применения
| Отрасль/Сектор | Пример конкретного применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении | Причина выбора (кратко) |
|---|---|---|---|
| Автомобильная | Кривошипы | Высокая прочность, ударная вязкость | Необходима для компонентов с высоким стрессом |
| Машиностроение | Шестерни | Сопротивление износу, обрабатываемость | Ключевое для долговечности |
| Строительство | Структурные балки | Прочность, пластичность | Поддерживает тяжелые нагрузки |
| Инструменты | Режущие инструменты | Твердость, стойкость к износу | Сохраняет остроту |
Другие применения включают:
- Трубы и трубки: Используются в конструкционных приложениях благодаря прочности.
- Крепежи: Широко используются в болтах и винтах для машин.
Сталь 1040 выбирается для приложений, требующих сочетания прочности и пластичности, особенно там, где критически важна стойкость к износу.
Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения
| Особенность/Свойство | Сталь 1040 | AISI 4140 | AISI 1018 | Краткая заметка о преимуществах/недостатках или компромиссах |
|---|---|---|---|---|
| Ключевое механическое свойство | Высокая прочность | Более высокая ударная вязкость | Низкая прочность | 4140 предлагает лучшую ударную вязкость, но по более высокой цене |
| Ключевой аспект коррозии | Умеренная | Умеренная | Хорошая | 1018 обладает лучшей коррозионной стойкостью |
| Свариваемость | Умеренная | Хорошая | Отличная | 1018 легче сваривать |
| Обрабатываемость | Хорошая | Умеренная | Отличная | 1018 более обрабатываемая |
| Формуемость | Умеренная | Плохая | Хорошая | 1018 предлагает лучшую формуемость |
| Приблизительная относительная цена | Умеренная | Высокая | Низкая | 1018 более экономично |
| Типичное наличие | Распространенная | Менее распространенная | Очень распространенная | 1018 широко доступна |
При выборе стали 1040 следует учитывать её механические свойства, экономическую эффективность и доступность. Хотя она предлагает хорошее сочетание прочности и пластичности, альтернативы, такие как AISI 4140, могут быть предпочтительнее для приложений, требующих более высокой ударной вязкости, хотя и по более высокой цене. Наоборот, AISI 1018 может быть выбрана для приложений, где приоритизируется обрабатываемость и формуемость.
В общем, сталь 1040 является универсальной среднеуглеродистой легированной сталью, которая широко используется в различных отраслях благодаря её благоприятным механическим свойствам, однако важно тщательно учитывать её ограничения для оптимальной производительности в приложении.