Сталь 4340: свойства и основные применения объяснены
Поделиться
Table Of Content
Table Of Content
Сталь 4340 классифицируется как легированная сталь средней углеродности, известная прежде всего своей отличной прочностью и вязкостью. Она содержит значительное количество легирующих элементов, таких как хром, никель и молибден, которые улучшают ее механические свойства и общую производительность в различных применениях. Наличие хрома улучшает закаливаемость и коррозионную стойкость, в то время как никель способствует вязкости и пластичности. Молибден увеличивает прочность при высоких температурах и улучшает износостойкость.
Ключевые характеристики
Сталь 4340 характеризуется высокой прочностью на разрыв, хорошей усталостной прочностью и отличной вязкостью, что делает ее подходящей для требовательных приложений. Она может подвергаться термической обработке для достижения широкого диапазона механических свойств, что позволяет обеспечить универсальность в проектировании и применении.
Плюсы и минусы
Плюсы:
- Высокое соотношение прочности к весу
- Отличная вязкость и усталостная прочность
- Хорошая обрабатываемость в отожженном состоянии
- Универсальные варианты термической обработки
Недостатки:
- Умеренная коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющими сталями
- Необходима тщательная термическая обработка для предотвращения хрупкости
- Более высокая цена по сравнению с низкоуглеродными сталями
Исторически сталь 4340 широко использовалась в аэрокосмической и автомобильной промышленности, особенно для компонентов, которые требуют высокой прочности и вязкости, таких как шестерни, валы и шасси самолетов.
Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты
Стандартная организация | Обозначение/Гардероб | Страна/Регион происхождения | Заметки/Комментарий |
---|---|---|---|
UNS | G43400 | США | Ближайший эквивалент AISI 4340 |
AISI/SAE | 4340 | США | Обычно используемое обозначение |
ASTM | A829 | США | Стандартная спецификация для легированных сталей |
EN | 34CrNiMo6 | Европа | Похожий состав, небольшие отличия |
DIN | 1.6582 | Германия | Эквивалент с небольшими вариациями |
JIS | SNCM439 | Япония | Похожие свойства, используется в автомобильных приложениях |
GB | 40CrNiMo | Китай | Сравнимый сорт с незначительными составными отличиями |
ISO | 34CrNiMo6 | Международный | Эквивалент к стандарту EN |
Отличия между этими сортами могут повлиять на выбор в зависимости от конкретных требований применения, таких как механические свойства или доступность.
Ключевые свойства
Химический состав
Элемент (Символ и название) | Процентный диапазон (%) |
---|---|
C (Углерод) | 0.38 - 0.43 |
Mn (Марганец) | 0.60 - 0.80 |
Si (Кремний) | 0.15 - 0.40 |
Cr (Хром) | 0.70 - 0.90 |
Ni (Никель) | 1.65 - 2.00 |
Mo (Молибден) | 0.20 - 0.30 |
P (Фосфор) | ≤ 0.035 |
S (Сера) | ≤ 0.040 |
Основная роль ключевых легирующих элементов в стали 4340 включает:
- Хром: Улучшает закаливаемость и стойкость к износу и коррозии.
- Никель: Улучшает вязкость и пластичность, особенно в сварных соединениях.
- Молибден: Увеличивает прочность при высоких температурах и улучшает закаливаемость.
Механические свойства
Свойство | Состояние/Температура | Температура испытания | Типичное значение/Диапазон (метрические) | Типичное значение/Диапазон (имперские) | Справочный стандарт для метода испытания |
---|---|---|---|---|---|
Прочность на разрыв | Закаленное и отпущенное | Комнатная температура | 980 - 1,100 МПа | 142 - 160 ksi | ASTM E8 |
Граничная прочность (с 0.2% служебного смещения) | Закаленное и отпущенное | Комнатная температура | 850 - 1,000 МПа | 123 - 145 ksi | ASTM E8 |
Удлинение | Закаленное и отпущенное | Комнатная температура | 12 - 15% | 12 - 15% | ASTM E8 |
Твердость (по Роквеллу C) | Закаленное и отпущенное | Комнатная температура | 28 - 34 HRC | 28 - 34 HRC | ASTM E18 |
Ударная стойкость | Закаленное и отпущенное | -40 °C | 27 - 40 Дж | 20 - 30 фунт-футов | ASTM E23 |
Сочетание этих механических свойств делает сталь 4340 подходящей для приложений, которые требуют высокой прочности и вязкости, особенно в условиях динамической нагрузки.
Физические свойства
Свойство | Состояние/Температура | Значение (метрическое) | Значение (имперское) |
---|---|---|---|
Плотность | Комнатная температура | 7.85 г/см³ | 0.284 фунт/дюйм³ |
Температура плавления | - | 1,400 - 1,540 °C | 2,552 - 2,804 °F |
Теплопроводность | Комнатная температура | 45 Вт/м·К | 31 BTU·дюйм/ч·фут²·°F |
Удельная теплоемкость | Комнатная температура | 460 Дж/кг·К | 0.11 BTU/фунт·°F |
Электрическое сопротивление | Комнатная температура | 0.0000017 Ω·м | 0.0000017 Ω·дюйм |
Ключевые физические свойства, такие как плотность и теплопроводность, имеют значение для применений, где вес и теплоотвод являются критическими факторами, такими как компоненты аэрокосмической техники.
Коррозионная стойкость
Коррозионный агент | Концентрация (%) | Температура (°C/°F) | Оценка устойчивости | Заметки |
---|---|---|---|---|
Хлориды | 3-5% | 20-60 °C (68-140 °F) | Умеренная | Риск образования пузырьков |
Серная кислота | 10% | 25 °C (77 °F) | Плохая | Не рекомендуется |
Гидроксид натрия | 5% | 25 °C (77 °F) | Умеренная | Риск коррозионных трещин |
Атмосферная | - | - | Хорошая | Требует защитных покрытий |
Сталь 4340 обладает умеренной коррозионной стойкостью, особенно в атмосферных условиях. Тем не менее, она подвержена образованию пузырьков и коррозионным трещинам в средах с хлорами и не должна использоваться в условиях с высокой коррозией без защитных мер. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как 304 или 316, коррозионная стойкость 4340 значительно ниже, что делает ее менее подходящей для морских или химических процессов.
Теплоустойчивость
Свойство/Лимит | Температура (°C) | Температура (°F) | Заметки |
---|---|---|---|
Максимальная температура непрерывной службы | 400 °C | 752 °F | Подходит для высокотемпературных приложений |
Максимальная температура прерывистой службы | 500 °C | 932 °F | Только кратковременное воздействие |
Температура кристаллизации | 600 °C | 1,112 °F | Риск окисления при высоких температурах |
Учет прочности на ползучесть | 400 °C | 752 °F | Начинает терять прочность |
При повышенных температурах сталь 4340 сохраняет хорошие механические свойства, но может подвержена окислению и образованию корки. Необходимо учитывать это для приложений, подразумевающих длительное воздействие высоких температур.
Свойства обработки
Свариваемость
Процесс сварки | Рекомендуемый filler metal (классификация AWS) | ТипичGas/Flux | Заметки |
---|---|---|---|
MIG | ER80S-Ni | Аргон + CO2 | Рекомендуется предварительный подогрев |
TIG | ER80S-Ni | Аргон | Рекомендуется термическая обработка после сварки |
Прутковая | E8018-C3 | - | Требуется предварительный подогрев для предотвращения трещин |
Сталь 4340 может быть сварена с использованием различных методов, но предварительный подогрев необходим для минимизации риска трещин. Также рекомендуется термическая обработка после сварки для снятия напряжений и улучшения вязкости.
Обрабатываемость
Параметр обработки | Сталь 4340 | AISI 1212 | Заметки/Советы |
---|---|---|---|
Индекс относительной обрабатываемости | 60 | 100 | 4340 сложнее обрабатывать |
Типичная скорость резания | 30-50 м/мин | 60-80 м/мин | Используйте карбидные инструменты для лучших результатов |
Сталь 4340 обладает умеренной обрабатываемостью, и использование соответствующего оборудования и скоростей резания имеет решающее значение для достижения желаемого качества поверхности и допусков.
Формуемость
Сталь 4340 имеет умеренную формуемость. Холодная формовка возможна, но может потребовать промежуточного отжига для снятия напряжений. Горячая формовка предпочтительна для сложных форм, что позволяет лучше контролировать окончательные свойства.
Термическая обработка
Процесс обработки | Диапазон температур (°C/°F) | Типичное время выдержки | Метод охлаждения | Основная цель / Ожидаемый результат |
---|---|---|---|---|
Отжиг | 700 - 750 °C (1,292 - 1,382 °F) | 1-2 часа | Воздух | Смягчение, улучшение обрабатываемости |
Закалка | 800 - 850 °C (1,472 - 1,562 °F) | 30 минут | Масло или вода | Закалка |
Отпуск | 400 - 600 °C (752 - 1,112 °F) | 1 час | Воздух | Улучшение вязкости |
Процессы термической обработки значительно изменяют микроструктуру стали 4340, улучшая ее твердость и вязкость. Закалка и отпуск особенно эффективны для достижения желаемых механических свойств для приложений под высоким напряжением.
Типичные применения и конечные использования
Отрасль/Сектор | Пример конкретного применения | Ключевые свойства стали, используемые в этом применении | Причина выбора |
---|---|---|---|
Аэрокосмическая | Шасси самолета | Высокая прочность, вязкость | Ключевой компонент безопасности |
Автомобилестроение | Валы | Устойчивость к усталости, вязкость | Высокие динамические нагрузки |
Нефть и газ | Буровые битумы | Устойчивость к износу, прочность | Жесткие эксплуатационные условия |
Тяжелая техника | Коробки передач | Высокая прочность, ударная стойкость | Надежность под нагрузкой |
Другие применения включают:
- Военное оборудование
- Высокоэффективные автомобильные компоненты
- Конструкционные компоненты в тяжелой технике
Выбор стали 4340 для этих применений в первую очередь обусловлен ее отличными механическими свойствами, которые обеспечивают надежность и безопасность в сложных условиях.
Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения
Особенность/Собственность | Сталь 4340 | AISI 4140 | AISI 8620 | Краткая заметка о плюсах и минусах или компромиссах |
---|---|---|---|---|
Ключевое механическое свойство | Высокая прочность | Хорошая вязкость | Хорошая закаливаемость | 4340 предлагает превосходную вязкость |
Ключевой аспект коррозии | Умеренная стойкость | Умеренная стойкость | Плохая стойкость | 4340 лучше, чем 8620 |
Свариваемость | Умеренная | Хорошая | Умеренная | 4340 требует предварительного подогрева |
Обрабатываемость | Умеренная | Хорошая | Умеренная | 4340 сложнее обрабатывать |
Формуемость | Умеренная | Хорошая | Хорошая | 4340 требует осторожности при формовке |
Приблизительная относительная стоимость | Выше | Умеренная | Ниже | Компромисс между стоимостью и производительностью |
Типичная доступность | Общая | Общая | Менее распространенная | Доступность варьируется по регионам |
При выборе стали 4340 учитываются такие факторы, как рентабельность, доступность и конкретные требования к механическим свойствам. Ее баланс прочности и вязкости делает ее предпочтительным выбором для высокопроизводительных приложений, хотя ее более высокая стоимость по сравнению с низкоуглеродными сталями может быть фактором в процессе принятия решений.
В заключение, сталь 4340 является универсальным сплавом с уникальным сочетанием свойств, что делает ее подходящей для широкого спектра требовательных приложений. Ее механические и физические характеристики, вместе с возможностями термической обработки, предоставляют инженерам надежный материал для критических компонентов.