4120 сталь: свойства и ключевые применения

Сталь 4120 классифицируется как среднеуглеродистая легированная сталь, известная своими отличными закаляемостью и прочностью. Основные легирующие элементы в стали 4120 включают хром (Cr) и молибден (Mo), которые улучшают ее механические свойства и устойчивость к износу. Этот класс стали часто используется в приложениях, требующих высокой прочности и toughness, что делает его подходящим для компонентов, подвергающихся высоким нагрузкам и напряжению.

Полный обзор

Сталь 4120 имеет значительные характеристики, такие как хорошая обрабатываемость, свариваемость и возможность термической обработки для достижения желаемых уровней твердости. Ее внутренние свойства включают прочность на растяжение, которая может достигать до 1000 МПа (145 ksi) при правильной термообработке, наряду с хорошей пластичностью и ударной прочностью.

Преимущества:
- Высокая прочность: Легирующие элементы обеспечивают повышенную прочность и toughness.
- Хорошая закаливаемость: Может подвергаться термической обработке для достижения высоких уровней твердости.
- Универсальные применения: Подходит для различных инженерных приложений, включая зубчатые колеса, валы и другие критически важные компоненты.

Ограничения:
- Устойчивость к коррозии: Не такая устойчивая к коррозии, как нержавеющие стали, что может ограничивать ее использование в определенных средах.
- Стоимость: Обычно дороже, чем сталь с низким содержанием углерода из-за легирующих элементов.

Исторически сталь 4120 использовалась в автомобилестроении и аэрокосмической промышленности, где ее механические свойства критически важны для производительности и безопасности. Ее рыночная позиция стабильна, и она часто является предпочтительным выбором для производителей, требующих надежных и долговечных материалов.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Класс	Страна/Регион происхождения	Примечания/Замечания
UNS	G41200	США	Ближайший эквивалент AISI 4140
AISI/SAE	4120	США	Незначительные композиционные различия от AISI 4140
ASTM	A29/A29M	США	Общая спецификация для легированных сталей
EN	1.7218	Европа	Эквивалент 4120 с небольшими вариациями
DIN	42CrMo4	Германия	Похожие свойства, часто используются взаимозаменяемо
JIS	SCM420	Япония	Сравнимый класс с незначительными отличиями

Различия между 4120 и его эквивалентами, такими как AISI 4140, в основном заключаются в конкретных процентах легирующих элементов, которые могут влиять на закаливаемость и toughness. Например, 4140, как правило, имеет более высокое содержание углерода, что может повысить его твердость, но также может снизить пластичность.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (символ и название)	Диапазон содержания (%)
C (Углерод)	0.18 - 0.22
Mn (Марганец)	0.60 - 0.90
Cr (Хром)	0.80 - 1.10
Mo (Молибден)	0.15 - 0.25
Si (Кремний)	0.15 - 0.40
P (Фосфор)	≤ 0.035
S (Сера)	≤ 0.040

Основные роли ключевых легирующих элементов в стали 4120 следующие:
- Хром (Cr): Улучшает закаливаемость и повышает стойкость к износу.
- Молибден (Mo): Увеличивает прочность при высоких температурах и улучшает toughness.
- Марганец (Mn): Улучшает закаливаемость и вносит вклад в общую прочность стали.

Механические свойства

Свойство	Состояние/Температура	Температура испытания	Типичное значение/Диапазон (метрическая система)	Типичное значение/Диапазон (имперская система)	Справочный стандарт для метода испытания
Прочность на растяжение	Закаленная и отпускаемая	Комнатная температура	850 - 1,000 МПа	123 - 145 ksi	ASTM E8
Предельная прочность (0.2% оффсет)	Закаленная и отпускаемая	Комнатная температура	650 - 850 МПа	94 - 123 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и отпускаемая	Комнатная температура	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Твердость (по Роквеллу C)	Закаленная и отпускаемая	Комнатная температура	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Ударная вязкость	Тип V по Шарпи	-20°C (-4°F)	30 - 50 Дж	22 - 37 фунт-футов	ASTM E23

Сочетание этих механических свойств делает сталь 4120 особенно подходящей для приложений, связанных с динамическими нагрузками и высоконапряженными условиями, такими как в автомобиле- и аэрокосмических компонентах. Ее высокая прочность на растяжение и предельная прочность, наряду с хорошей пластичностью, позволяют ей выдерживать значительные деформации до разрушения.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрическая система)	Значение (имперская система)
Плотность	-	7.85 г/см³	0.284 фунт/дюйм³
Температура/Диапазон плавления	-	1,540 - 1,600 °C	2,804 - 2,912 °F
Теплопроводность	20°C	45 Вт/м·К	31 BTU·дюйм/(ч·фут²·°F)
Удельная теплоемкость	20°C	0.46 кДж/кг·К	0.11 BTU/фунт·°F
Коэффициент теплового расширения	20-100°C	11.5 x 10⁻⁶ /K	6.36 x 10⁻⁶ /°F

Практическое значение плотности и тепловых свойств стали 4120 критично в приложениях, где вес и тепловое управление имеют решающее значение. Ее относительно высокая плотность вносит вклад в ее прочность, в то время как теплопроводность позволяет эффективно рассеивать тепло в высокопроизводительных условиях.

Устойчивость к коррозии

Коррозийный агент	Концентрация (%)	Температура (°C/°F)	Рейтинг устойчивости	Примечания
Хлориды	3-5%	25°C (77°F)	Удовлетворительно	Риск точечной коррозии
Серная кислота	10%	25°C (77°F)	Плохо	Не рекомендуется
Гидроксид натрия	50%	25°C (77°F)	Удовлетворительно	Подвержен образованию трещин от напряжения

Сталь 4120 демонстрирует умеренную коррозионную стойкость, особенно в средах с хлоридами, где она может подвергаться точечной коррозии. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как 304 или 316, которые предлагают отличную коррозионную стойкость, 4120 менее подходит для применения в высококоррозионных средах.

С точки зрения подверженности, 4120 может сталкиваться с проблемами, такими как трещины от напряжения (SCC) в щелочных средах, что является критическим фактором для применения в химической промышленности или морских условиях.

Теплостойкость

Свойство/Предел	Температура (°C)	Температура (°F)	Замечания
Максимальная температура непрерывной работы	400°C	752°F	Подходит для умеренного тепла
Максимальная температура периодической работы	500°C	932°F	Только кратковременное воздействие
Температура образования окалины	600°C	1,112°F	Риск окисления выше данного предела

При повышенных температурах сталь 4120 поддерживает свою прочность, но может начать терять твердость и toughness, если подвергаться воздействию в течение длительного времени. Ее стойкость к окислению умеренная, и следует проявлять осторожность, чтобы предотвратить образование окалины в условиях высокой температуры.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичен защитный газ/порошок	Примечания
MIG	ER70S-6	Аргон/CO2	Рекомендуется предварительный подогрев
TIG	ER70S-2	Аргон	Требует термообработки после сварки
Дуговая	E7018	-	Хорошо подходит для толстых секций

Сталь 4120 обычно считается свариваемой, но для предотвращения растрескивания часто рекомендуется предварительный подогрев. Термообработка после сварки также может улучшить механические свойства сварного соединения, обеспечивая его структурную целостность.

Обрабатываемость

Параметр обработки	[Сталь 4120]	[AISI 1212]	Примечания/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60%	100%	4120 сложнее обрабатывать
Типичная скорость резания (точение)	40-60 м/мин	80-100 м/мин	Используйте карбидные инструменты для наилучших результатов

Обрабатываемость стали 4120 умеренная. Она требует тщательного выбора режущих инструментов и параметров для достижения оптимальных результатов. Инструменты из быстрорежущей стали могут быстро изнашиваться, поэтому часто предпочитают карбидные инструменты.

Формуемость

Сталь 4120 демонстрирует хорошую формуемость, позволяя использовать процессы холодной и горячей формовки. Однако следует проявлять осторожность, чтобы избежать чрезмерного упрочнения, которое может привести к трещинам во время операций формовки. Минимальный радиус изгиба следует учитывать в зависимости от толщины материала.

Термическая обработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C/°F)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700 / 1,112 - 1,292	1 - 2 часа	Воздух	Смягчение, улучшение пластичности
Закалка	850 - 900 / 1,562 - 1,652	30 минут	Масло/вода	Закалка
Отпуск	400 - 600 / 752 - 1,112	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение toughness

В процессе термической обработки сталь 4120 подвергается значительным металлургическим превращениям. Закалка повышает твердость за счет образования мартенсита, в то время как отпуск позволяет регулировать твердость и toughness, создавая баланс, подходящий для различных приложений.

Типичные приложения и конечное использование

Отрасль/Сектор	Пример конкретного применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная	Зубчатые колеса	Высокая прочность, toughness	Критично для производительности
Аэрокосмическая	Компоненты шасси	Высокая усталостная стойкость	Критично для безопасности
Нефть и газ	Сверла	Устойчивость к износу, toughness	Высоко нагруженные среды
Тяжелая техника	Валы	Прочность, обрабатываемость	Долговечность под нагрузкой

Другие применения стали 4120 включают:
- Структурные компоненты в машинах
- Крепеж и болты
- Применение в инструментах

Выбор стали 4120 в этих приложениях в первую очередь обусловлен ее отличными механическими свойствами, которые обеспечивают надежность и производительность в условиях высокой нагрузки.

Важные соображения, критерии выбора и дальнейшие аспекты

Особенность/Свойство	[Сталь 4120]	[AISI 4140]	[AISI 4340]	Краткая примечание о плюсах/минусах или компромиссах
Ключевое механическое свойство	Высокая прочность	Более высокая твердость	Более высокая toughness	4140 предлагает лучшую закаливаемость
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Плохая	Удовлетворительная	4340 имеет лучшую коррозионную стойкость
Свариваемость	Хорошая	Умеренная	Удовлетворительная	4140 может потребовать большей осторожности при сварке
Обрабатываемость	Умеренная	Хорошая	Удовлетворительная	4140 проще обрабатывать
Формуемость	Хорошая	Умеренная	Удовлетворительная	4140 имеет более низкую формуемость
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Более высокая	Более высокая	Стоимость варьируется в зависимости от легирующих элементов
Типичное наличие	Обычное	Обычное	Менее распространенное	Наличие может варьироваться в зависимости от региона

При выборе стали 4120 учитываются ее механические свойства, рентабельность и доступность. Хотя она предлагает хороший баланс между прочностью и toughness, альтернативы, такие как AISI 4140 или 4340, могут быть более подходящими в зависимости от конкретных требований применения. Кроме того, факторы безопасности и условия эксплуатации должны быть оценены для обеспечения оптимальной производительности и долговечности компонентов, изготовленных из этого класса стали.