12.9 Легированная сталь: свойства и ключевые применения

Сталь 12.9, обычно называемая болтовой сталью класса 12.9, представляет собой высокопрочную легированную сталь, в основном используемую для производства болтов и крепежных изделий. Она относится к категории среднеуглеродистых легированных сталей, характеризующихся значительным содержанием углерода (обычно от 0.9% до 1.2%) и легирующими элементами, такими как хром и молибден. Эти элементы улучшают ее механические свойства, делая ее подходящей для требовательных применений в различных отраслях.

Полный обзор

Основные легирующие элементы в стали 12.9 включают:

• Углерод (C): Повышает твердость и прочность за счет термообработки.
• Хром (Cr): Улучшает закаливаемость и коррозионную стойкость.
• Молибден (Mo): Повышает прочность при повышенных температурах и улучшает ударную вязкость.

Наиболее значительными характеристиками стали 12.9 являются высокая прочность на разрыв, отличная усталостная стойкость и хорошая износостойкость. Обычно она используется в приложениях, требующих высокой прочности и надежности, таких как автомобилестроение, авиация и тяжелое машиностроение.

Преимущества (Плюсы):
- Исключительная прочность на разрыв, часто превышающая 1200 МПа (174,000 psi).
- Хорошая усталостная стойкость, что делает ее подходящей для динамических нагрузок.
- Высокая твердость, что способствует износостойкости.

Ограничения (Минусы):
- Ограниченная коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющими сталями.
- Требует точной термообработки для достижения желаемых свойств.
- Может быть более хрупкой, чем стали более низких классов, если неправильно обработана.

Исторически сталь 12.9 была значительной в разработке высокопроизводительных крепежей, что способствовало безопасности и надежности критически важных конструкций и механизмов.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	G41400	США	Близкий эквивалент AISI 4140
AISI/SAE	4140	США	Небольшие различия в составе
ASTM	A574	США	Стандарт для высокопрочных болтов
EN	10.9	Европа	Похожие свойства, но ниже содержание углерода
DIN	12.9	Германия	Эквивалент AISI 4140 с более высокой прочностью
JIS	SCM435	Япония	Сравнимо, но с другими легирующими элементами
ISO	12.9	Международный	Стандартизированное обозначение для высокопрочных болтов

Различия между этими классами могут повлиять на выбор в зависимости от конкретных требований применения. Например, хотя как 12.9, так и 10.9 обеспечивают высокую прочность, 12.9, как правило, имеет более высокое содержание углерода, что может привести к увеличенной твердости, но также может привести к снижению пластичности.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и название)	Диапазон (%)
Углерод (C)	0.9 - 1.2
Хром (Cr)	0.4 - 0.6
Молибден (Mo)	0.15 - 0.25
Марганец (Mn)	0.6 - 0.9
Силикон (Si)	0.15 - 0.4
Фосфор (P)	≤ 0.025
Сера (S)	≤ 0.025

Основная роль ключевых легирующих элементов в стали 12.9 следующая:
- Углерод: Необходим для достижения высокой твердости и прочности путем термообработки.
- Хром: Улучшает закаливаемость и способствует повышению износостойкости.
- Молибден: Повышает прочность при повышенных температурах и увеличивает ударную вязкость, что делает его подходящим для высоконагруженных приложений.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрические)	Типичное значение/Диапазон (имперские)	Ссылочный стандарт для метода испытания
Прочность на разрыв	Закаленная & отпусканная	Температура окружающей среды	1200 - 1300 МПа	174 - 188 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (сдвиг 0.2%)	Закаленная & отпусканная	Температура окружающей среды	1000 - 1100 МПа	145 - 160 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная & отпусканная	Температура окружающей среды	10 - 15%	10 - 15%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленная & отпусканная	Температура окружающей среды	38 - 45 HRC	38 - 45 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Испытание на удар с V-образным вырезом Чарпи	-20°C (-4°F)	20 - 30 Дж	15 - 22 фут-фунт	ASTM E23

Сочетание этих механических свойств делает сталь 12.9 особенно подходящей для приложений, связанных с высокими механическими нагрузками, таких как в строительных компонентах и крепежах, подвергающихся динамическим напряжениям. Ее высокая предельная прочность обеспечивает возможность выдерживать значительные силы без окончательной деформации.

Физические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Значение (метрическое)	Значение (имперское)
Плотность	Температура окружающей среды	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	Температура окружающей среды	45 Вт/м·К	31 BTU·дюйм/(ч·фут²·°F)
Удельная теплоемкость	Температура окружающей среды	460 Дж/кг·К	0.11 BTU/фунт·°F
Электрическое сопротивление	Температура окружающей среды	0.0000017 Ω·м	0.0000017 Ω·дюйм

Практическое значение ключевых физических свойств включает:
- Плотность: Влияет на вес компонентов, что критично для приложений в аэрокосмической и автомобильной отраслях, где снижение веса является важным.
- Теплопроводность: Важно для приложений, связанных с рассеиванием тепла, например, в компонентах двигателя.
- Температура плавления: Указывает на пригодность для высокотемпературных приложений, обеспечивая структурную целостность под тепловым стрессом.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	3-5	25°C/77°F	Средняя	Риск питтинговой коррозии
Серная кислота	10	20°C/68°F	Плохая	Не рекомендуется
Гидроксид натрия	50	25°C/77°F	Средняя	Уязвимость к коррозионным трещинам под напряжением

Сталь 12.9 демонстрирует умеренную коррозионную стойкость, особенно в средах с хлоридами, где она может быть подвержена питтингу. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как 316, которые обеспечивают отличную коррозионную стойкость, сталь 12.9 менее подходит для приложений, подвергающихся воздействию агрессивных коррозионных агентов. Важно учитывать окружающую среду при выборе этой марки стали для приложений, особенно в морской или химической отраслях.

Термостойкость

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Замечания
Максимальная температура непрерывной службы	300°C	572°F	Подходит для высокотемпературных приложений
Максимальная температура прерывистой службы	400°C	752°F	Только кратковременное воздействие
Температура растрескивания	500°C	932°F	Риск окисления после этой точки

При повышенных температурах сталь 12.9 сохраняет свою прочность и твердость, что делает ее подходящей для приложений, где тепловая стабильность имеет решающее значение. Однако длительное воздействие высоких температур может привести к окислению и растрескиванию, что может негативно сказаться на ее механических свойствах.

Свойства обработки

Сварка

Процесс сварки	Рекомендуемый сварочный материал (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
Сварка МГ	ER70S-6	Аргон + CO2	Рекомендуется предварительный подогрев
Сварка TIG	ER80S-Ni	Аргон	Рекомендуется термообработка после сварки
Ручная дуговая сварка	E7018	-	Требует точного контроля

Сталь 12.9 может быть сварена с использованием различных процессов, но часто требуется подогрев для предотвращения растрескивания. Термообработка после сварки может улучшить свойства сварного шва и зоны термического воздействия. Внимательный выбор электродов имеет решающее значение для обеспечения совместимости и производительности.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сталь 12.9	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60	100	Труднее обрабатывается из-за твердости
Типичная скорость резания (Токарная обработка)	30 м/мин	50 м/мин	Используйте твердосплавные инструменты для достижения наилучших результатов

Обработка стали 12.9 может быть сложной из-за ее твердости. Использование соответствующих инструментов и скоростей резания имеет решающее значение для достижения оптимальных результатов при минимизации износа инструмента.

Формуемость

Сталь 12.9 не обладает высокой формуемостью из-за высокого содержания углерода и полученной твердости. Холодная формовка возможна, но может потребовать значительных усилий и привести к упрочнению. Горячая формовка более осуществима, что позволяет лучше формировать, не нарушая целостности материала.

Термообработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700 °C / 1112 - 1292 °F	1 - 2 часа	Воздух	Уменьшить твердость, улучшить пластичность
Закалка	850 - 900 °C / 1562 - 1652 °F	30 минут	Масло или вода	Увеличить твердость
Отпуск	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 час	Воздух	Уменьшить хрупкость, повысить ударную вязкость

Процессы термообработки значительно влияют на микроструктуру и свойства стали 12.9. Закалка увеличивает твердость, а отпуск уменьшает хрупкость, позволяя достичь баланса между прочностью и пластичностью.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная	Компоненты двигателя	Высокая прочность на разрыв, усталостная стойкость	Надежность при динамических нагрузках
Аэрокосмическая	Крепежи в самолётах	Высокий коэффициент прочности к весу	Безопасность и производительность
Тяжелое машиностроение	Структурные компоненты	Износостойкость, ударная вязкость	Долговечность в жестких условиях

Другие применения включают:
- Крепежи для строительства
- Оборудование для бурения нефти и газа
- Компоненты машин, работающих под высоким напряжением

Сталь 12.9 выбирается для этих применений благодаря своей исключительной прочности и надежности, обеспечивая производительность в критически важных условиях.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие сведения

Особенность/Свойство	Сталь 12.9	AISI 4140	Сталь 10.9	Краткое примечание о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая прочность на разрыв	Высокая прочность на разрыв	Умеренная прочность на разрыв	12.9 предлагает превосходную прочность, но меньшую пластичность
Ключевой коррозионный аспект	Средняя стойкость	Хорошая стойкость	Средняя стойкость	4140 лучше подходит для коррозионных сред
Сварка	Умеренная	Хорошая	Умеренная	4140 легче сваривать
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Умеренная	4140 легче поддается обработке из-за меньшей твердости
Формуемость	Плоха	Умеренная	Плоха	Все классы имеют ограниченную формуемость
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Ниже	Стоимость может варьироваться в зависимости от рыночных условий
Типичная доступность	Распространенная	Распространенная	Распространенная	Широко доступна в различных формах

При выборе стали 12.9 учитывайте факторы, такие как механические требования, условия окружающей среды и процессы обработки. Ее высокая прочность делает ее идеальной для критических приложений, но ее ограничения в коррозионной стойкости и обрабатываемости должны быть тщательно оценены в контексте потребностей проекта.

В заключение, сталь 12.9 является высокопроизводительным материалом, который превосходит в прочности и долговечности, что делает его предпочтительным выбором для требовательных применений. Понимание его свойств, характеристик обработки и подходящих приложений имеет важное значение для инженеров и конструкторов, чтобы эффективно использовать его полный потенциал.