3140 Сталь: свойства и основные применения объяснены

Сталь 3140 классифицируется как среднеуглеродистая легированная сталь, известная своим отличным сочетанием прочности и стойкости. Основные легирующие элементы в стали 3140 включают марганец, хром и молибден, которые значительно улучшают её механические свойства и общую производительность в различных применениях.

Обширный обзор

Сталь 3140 характеризуется сбалансированным составом, что позволяет ей достигать хорошего сочетания прочности, пластичности и износостойкости. Наличие марганца улучшает закаливаемость и прочность на растяжение, в то время как хром способствует коррозионной стойкости и общей прочности. Молибден увеличивает способность стали выдерживать высокие температуры и улучшает её закаливаемость.

Преимущества стали 3140:
- Высокая прочность и стойкость: Подходит для применения, требующего высокой несущей способности.
- Хорошая износостойкость: Идеально для компонентов, подверженных трению и износу.
- Универсальная обработка: Легко сваривается и обрабатывается, что делает её подходящей для различных производственных процессов.

Ограничения стали 3140:
- Умеренная коррозионная стойкость: Хотя она лучше, чем у низкоуглеродистых сталей, может не обеспечивать хорошую защиту в сильно коррозионных средах без защитных покрытий.
- Стоимость: Более высокое содержание легирующих элементов может привести к увеличению стоимости материала по сравнению с стали низшего сортов.

Исторически, сталь 3140 использовалась в различных инженерных приложениях, включая автомобильные компоненты, детали машин и конструкционные применения благодаря своим благоприятным механическим свойствам и универсальности.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Комментарии
UNS	G31400	США	Ближайший эквивалент AISI 4140 с небольшими различиями в составе.
AISI/SAE	3140	США	Широко используется в Северной Америке.
ASTM	A29/A29M	США	Общая спецификация для легированных сталей.
EN	34CrMo4	Европа	Эквивалент в Европе, с незначительными вариациями в составе.
JIS	SCM440	Япония	Похожие свойства, часто используются в японских применениях.

Различия между этими классами могут повлиять на производительность в определенных приложениях. Например, хотя сталь 4140 имеет несколько более высокое содержание углерода, это может обеспечить лучшую закаливаемость, что делает её предпочтительной для определенных высоконагруженных применений.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Процентный диапазон (%)
C (Углерод)	0.28 - 0.34
Mn (Марганец)	0.60 - 0.90
Cr (Хром)	0.90 - 1.20
Mo (Молибден)	0.15 - 0.25
Si (Кремний)	0.15 - 0.40
P (Фосфор)	≤ 0.035
S (Сера)	≤ 0.040

Ключевые легирующие элементы в стали 3140 играют важные роли:
- Углерод (C): Увеличивает твердость и прочность за счет термической обработки.
- Марганец (Mn): Улучшает закаливаемость и прочность на растяжение.
- Хром (Cr): Повышает коррозионную стойкость и прочность.
- Молибден (Mo): Увеличивает прочность при высоких температурах и закаливаемость.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрическая система)	Типичное значение/Диапазон (дюймовая система)	Справочный стандарт для метода испытания
Прочность на растяжение	Отожженная	Температура окружающей среды	620 - 850 МПа	90 - 123 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (0.2% смещение)	Отожженная	Температура окружающей среды	350 - 550 МПа	51 - 80 ksi	ASTM E8
Удлинение	Отожженная	Температура окружающей среды	20 - 25%	20 - 25%	ASTM E8
Твердость (Бринелль)	Отожженная	Температура окружающей среды	207 - 250 HB	95 - 120 HB	ASTM E10
Ударная прочность	Закаленная и отпущенная	-20°C (-4°F)	30 - 50 Дж	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

Механические свойства стали 3140 делают её подходящей для применения, требующего высокой прочности и стойкости, таких как шестерни, валы и конструкционные компоненты. Способность выдерживать значительные механические нагрузки и противостоять деформациям под нагрузкой очень важна для обеспечения структурной целостности в требовательных условиях.

Физические свойства

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

Плотность и температура плавления стали 3140 указывают на её прочность и пригодность для работы при высоких температурах. Теплопроводность и удельная теплоемкость имеют важное значение для приложений, связанных с теплопередачей, в то время как электрическое сопротивление имеет значение в электрических приложениях.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C)	Рейтинг стойкости	Примечания
Хлориды	3-5%	25°C (77°F)	Удовлетворительно	Риск точечной коррозии.
Серная кислота	10%	20°C (68°F)	Плохо	Не рекомендуется.
Гидроксид натрия	5%	25°C (77°F)	Удовлетворительно	Подвержена коррозионному растрескиванию под нагрузкой.

Сталь 3140 обладает умеренной коррозионной стойкостью, что делает её подходящей для различных условий, но не идеальной для сильно коррозионных. Она особенно подвержена точечной коррозии в средах хлора и коррозионному растрескиванию под нагрузкой в щелочных растворах. По сравнению с нержавеющими сталями, сталь 3140 требует защитных покрытий или обработок для повышения коррозионной стойкости в агрессивных условиях.

Стойкость к температурам

Свойство/Ограничение	Температура (°C)	Температура (°F)	Примечания
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	400°C	752°F	Подходит для высокотемпературных применений.
Максимальная температура прерывистой эксплуатации	500°C	932°F	Кратковременное воздействие допустимо.
Температура образования окалины	600°C	1112°F	Начинает значительно окисляться.

При повышенных температурах сталь 3140 сохраняет свою прочность и стойкость, что делает её подходящей для применения, связанного с теплом. Однако окисление может стать проблемой при более высоких температурах, что требует защитных мер в определенных условиях.

Свойства обработки

Сварка

Процесс сварки	Рекомендуемый добавочный металл (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Примечания
MIG	ER70S-6	Аргон + CO2	Хорошо для большинства приложений.
TIG	ER70S-2	Аргон	Требует предварительного нагрева для толстых секций.
Электродная сварка	E7018	-	Подходит для общей сварки.

Сталь 3140 обычно считается свариваемой, но для толстых секций может потребоваться предварительный нагрев, чтобы избежать растрескивания. Тепловая обработка после сварки может улучшить свойства сварного шва, обеспечивая его целостность и производительность.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сталь 3140	AISI 1212	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60	100	3140 сложнее обрабатывать.
Типичная скорость резания (токарная обработка)	30-50 м/мин	60-80 м/мин	Используйте инструменты из быстрорежущей стали.

Обработка стали 3140 требует тщательного учета инструмента и скоростей резания. Несмотря на то что она обработка возможна, она менее прощает, чем низкоуглеродистые стали, что требует корректировок в параметрах обработки.

Формуемость

Сталь 3140 обладает умеренной формуемостью, что делает её подходящей для процессов холодной и горячей формовки. Однако необходимо быть осторожным, чтобы избежать чрезмерного упрочнения, что может привести к растрескиванию в процессе формовки. Рекомендуемые радиусы изгиба должны соблюдаться, особенно в приложениях холодной формовки.

Термическая обработка

Процесс обработки	Температурный диапазон (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700 / 1112 - 1292	1 - 2 часа	Воздух	Уменьшение твёрдости, улучшение пластичности.
Закалка	800 - 850 / 1472 - 1562	30 минут	Масло или вода	Закаливание, повышение прочности.
Отпуск	400 - 600 / 752 - 1112	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение прочности.

Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру и свойства стали 3140. Закалка повышает твёрдость, а отпуск уменьшает хрупкость, позволяя достичь баланса между прочностью и пластичностью.

Типичные приложения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом приложении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная промышленность	Шестерни	Высокая прочность, стойкость	Необходимы для несущих компонентов.
Аэрокосмическая промышленность	Конструкционные компоненты	Сопротивление высоким температурам, стойкость	Критично для безопасности и производительности.
Машиностроение	Валы	Износостойкость, прочность	Необходимо для долговечности и надежности.

Другими применениями являются:
- - Компоненты нефтяной и газовой промышленности
- - Запчасти для тяжелой техники
- - Инструменты и штампы

Выбор стали 3140 в этих приложениях обусловлен её отличными механическими свойствами, что делает её идеальной для компонентов, которые должны выдерживать высокие нагрузки и износ.

Важные моменты, критерии выбора и дальнейшие соображения

Особенность/Свойство	Сталь 3140	AISI 4140	AISI 1045	Краткая заметка о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая прочность	Более высокая твердость	Умеренная прочность	4140 предлагает лучшую закаливаемость.
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Умеренная	Плохо	4140 имеет лучшую стойкость, чем 1045.
Сварка	Хорошая	Умеренная	Хорошая	4140 может требовать большего внимания при сварке.
Обрабатываемость	Умеренная	Умеренная	Хорошая	1045 проще обработать.
Формуемость	Умеренная	Умеренная	Хорошая	1045 предлагает лучшую формуемость.
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Более высокая	Ниже	1045 более экономически эффективна.
Типичная доступность	Обычная	Обычная	Очень обычная	1045 широко доступна.

При выборе стали 3140 следует учитывать её экономическую эффективность, доступность и пригодность для конкретных применений. Хотя она предлагает хорошее сочетание свойств, альтернативы, такие как AISI 4140 или AISI 1045, могут быть более подходящими в зависимости от конкретных требований приложения.

В заключение, сталь 3140 является универсальной среднеуглеродистой легированной сталью, которая обеспечивает сильное сочетание механических свойств, что делает её подходящей для широкого спектра инженерных приложений. Её уникальные характеристики, вместе с тщательным учетом свойств обработки и факторов окружающей среды, обеспечивают её актуальность в современном производстве и инженерии.