5140 Сталь: Свойства и основные применения

Сталь 5140 классифицируется как сталевой сплав средней углеродности, прежде всего известный своей прочностью, стойкостью к ударам и износостойкостью. Она является частью серии AISI/SAE 5000 и обычно используется в приложениях, требующих высокой прочности и хорошей усталостной прочности. Основные легирующие элементы в стали 5140 включают хром (Cr), марганец (Mn) и углерод (C), которые существенно влияют на её механические свойства и характеристики производительности.

Комплексный обзор

Сталь 5140 обычно содержит примерно от 0,38% до 0,43% углерода, от 0,75% до 1,00% марганца и от 0,90% до 1,20% хрома. Добавление хрома улучшает закаливаемость и коррозионную стойкость, в то время как марганец способствует прочности и стойкости к ударам. Содержание углерода обеспечивает твердость и прочность, что делает сталь 5140 подходящей для различных требовательных приложений.

Ключевые характеристики:
- Высокая прочность: Сталь 5140 демонстрирует отличную прочность на растяжение и текучесть, что делает её подходящей для работоспособных приложений.
- Хорошая стойкость к ударам: Она сохраняет стойкость к ударам даже при низких температурах, что критически важно для структурной целостности.
- Износостойкость: Легирующие элементы содействуют её способности противостоять износу, делая её идеальной для компонентов, подвергающихся трению и истиранию.

Преимущества:
- Отличные механические свойства, включая высокую прочность на растяжение и усталостную прочность.
- Хорошая обрабатываемость и свариваемость, позволяющие применять различные методы обработки.
- Подходит для процессов термической обработки, повышающих её производительность в различных приложениях.

Ограничения:
- Умеренная коррозионная стойкость по сравнению с нержавеющими сталями, требующая защитных покрытий в коррозионных средах.
- Требует осторожной термической обработки для достижения желаемых механических свойств, что может усложнить обработку.

Исторически сталь 5140 широко использовалась в автомобильной и аэрокосмической отраслях для компонентов, таких как шестерни, валы и оси, благодаря её благоприятному сочетанию прочности и стойкости к ударам.

Альтернативные названия, стандарты и эквиваленты

Стандартная организация	Обозначение/Группа	Страна/Регион происхождения	Заметки/Комментарии
UNS	G51400	США	Ближайший эквивалент AISI 5140
AISI/SAE	5140	США	Общепринятое обозначение
ASTM	A29/A29M	США	Стандартная спецификация для легированных сталей
EN	42CrMo4	Европа	Небольшие различия в составе
DIN	1.7035	Германия	Соседние свойства, используется в Европе
JIS	SCM440	Япония	Эквивалент с небольшими вариациями в составе

Различия между эквивалентными градациями могут влиять на выбор в зависимости от специфических требований к производительности. Например, хотя 42CrMo4 и SCM440 схожи, их реакции на термическую обработку могут различаться, что влияет на твердость и стойкость к ударам.

Ключевые свойства

Химический состав

Элемент (Символ и Название)	Диапазон процентов (%)
C (Углерод)	0.38 - 0.43
Mn (Марганец)	0.75 - 1.00
Cr (Хром)	0.90 - 1.20
Si (Силикон)	0.15 - 0.40
P (Фосфор)	≤ 0.035
S (Сера)	≤ 0.040

Основная роль углерода в стали 5140 заключается в увеличении твердости и прочности за счет термической обработки. Хром улучшает закаливаемость и коррозионную стойкость, в то время как марганец способствует общей стойкости и прочности. Силикон добавляется для улучшения декарбонизации при производстве стали.

Механические свойства

Свойство	Условие/Температура	Типичное значение/Диапазон (метрический)	Типичное значение/Диапазон (имперский)	Ссылочный стандарт для метода испытаний
Прочность на растяжение	Закаленная и подверженная отпуску	850 - 1000 МПа	123 - 145 ksi	ASTM E8
Текучесть (с 0,2% смещения)	Закаленная и подверженная отпуску	650 - 850 МПа	94 - 123 ksi	ASTM E8
Удлинение	Закаленная и подверженная отпуску	15 - 20%	15 - 20%	ASTM E8
Твердость (HRC)	Закаленная и подверженная отпуску	28 - 34 HRC	28 - 34 HRC	ASTM E18
Ударная прочность	Варка Чарпи, -20°C	30 - 50 Дж	22 - 37 ft-lbf	ASTM E23

Сочетание высокой прочности на растяжение и текучести, а также хорошего удлинения делает сталь 5140 подходящей для применения, требующего устойчивости к механическим нагрузкам и структурной целостности.

Физические свойства

Свойство	Условие/Температура	Значение (метрический)	Значение (имперский)
Плотность	Комнатная температура	7.85 г/см³	0.284 lb/in³
Температура плавления	-	1425 - 1540 °C	2600 - 2800 °F
Теплопроводность	Комнатная температура	45 Вт/м·К	31 BTU·in/(ч·ф²·°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

Плотность стали 5140 указывает на значительную массу, что способствует её прочности. Температура плавления относительно высокая, что позволяет хорошо работать при повышенных температурах. Теплопроводность и удельная теплоемкость важны для приложений, связанных с тепловыми циклами.

Коррозионная стойкость

Коррозионный агент	Концентрация (%)	Температура (°C)	Оценка стойкости	Заметки
Хлориды	Разное	Окружающая среда	Умеренная	Подвержен образованию коррозии
Серная кислота	Низкая	Окружающая среда	Плохая	Не рекомендуется
Щелочные растворы	Разное	Окружающая среда	Умеренная	Умеренная стойкость
Атмосферная	-	Окружающая среда	Хорошая	Требует защитных покрытий

Сталь 5140 демонстрирует умеренную коррозионную стойкость, особенно в атмосферных условиях. Однако она подвержена образованию коррозии в хлоридной среде и не должна использоваться в кислых условиях без защитных мер. По сравнению с нержавеющими сталями, такими как 304 или 316, коррозионная стойкость 5140 значительно ниже, что делает её менее подходящей для морских или сильно коррозийных применений.

Теплостойкость

Свойство/Лимит	Температура (°C)	Температура (°F)	Заметки
Максимальная температура непрерывной эксплуатации	400 °C	752 °F	Подходит для умеренного тепла
Максимальная температура прерывистой эксплуатации	500 °C	932 °F	Только кратковременное воздействие
Температура масштабирования	600 °C	1112 °F	Риск окисления выше этой температуры
Учет прочности на растяжение	400 °C	752 °F	Начинает degradate при этой температуре

При повышенных температурах сталь 5140 сохраняет хорошие механические свойства до примерно 400 °C (752 °F). После этого могут возникнуть окисление и потеря прочности. Это делает её подходящей для применения, где воздействие тепла ограничено.

Свойства обработки

Свариваемость

Процесс сварки	Рекомендуемый наполнитель (классификация AWS)	Типичный защитный газ/флюс	Заметки
MIG	ER70S-6	Аргон + CO2	Хорошо подходит для тонких частей
TIG	ER80S-Ni	Аргон	Требует предварительного подогрева
Электродная сварка	E7018	-	Подходит для более толстых деталей

Сталь 5140 обычно считается свариваемой, но рекомендуется предварительный подогрев, чтобы избежать трещин. Термическая обработка после сварки может улучшить свойства сварной области, обеспечивая её целостность.

Обрабатываемость

Параметр обработки	Сталь 5140	AISI 1212	Заметки/Советы
Индекс относительной обрабатываемости	60	100	5140 менее обрабатываема, чем 1212
Типичная скорость резания (точение)	40 м/мин	60 м/мин	Настройте инструмент для лучших результатов

Обрабатываемость может быть сложной из-за твердости стали 5140, что требует соответствующих инструментов и скоростей резания для достижения оптимальных результатов.

Формуемость

Сталь 5140 демонстрирует умеренную формуемость. Холодное формование возможно, но горячее формование предпочтительно для сложных форм, чтобы избежать упрочнения в процессе работы. Радиусы сгибания должны быть тщательно рассчитаны, чтобы избежать трещин.

Термическая обработка

Процесс обработки	Диапазон температур (°C)	Типичное время выдержки	Метод охлаждения	Основная цель / Ожидаемый результат
Отжиг	600 - 700	1 - 2 часа	Воздух	Смягчение, улучшение пластичности
Закалка	800 - 850	30 минут	Масло или Вода	Закаливание
Отпуск	400 - 600	1 час	Воздух	Снижение хрупкости, улучшение стойкости к ударам

Процессы термической обработки значительно влияют на микроструктуру стали 5140, трансформируя её из аустенита в мартенсит во время закалки, что увеличивает твердость. Отпуск позволяет добиться баланса между твердостью и стойкостью.

Типичные применения и конечные использования

Отрасль/Сектор	Конкретный пример применения	Ключевые свойства стали, используемые в этом применении	Причина выбора (кратко)
Автомобильная	Шестерни	Высокая прочность, износостойкость	Критично для долговечности
Аэрокосмическая	Валы	Стойкость к ударам, усталостная прочность	Критично для безопасности
Механическая	Оси	Высокая прочность на растяжение, стойкость к ударам	Необходимо для тяжелых нагрузок
Инструменты	Режущие инструменты	Твердость, износостойкость	Необходимо для долговечности

Другие применения включают:
* - Кривошипы
* - Крепежные детали
* - Структурные компоненты в механизмах

Сталь 5140 выбирается для этих приложений благодаря своим отличным механическим свойствам, обеспечивающим надежность и производительность при нагрузке.

Важные соображения, критерии выбора и дополнительные сведения

Особенность/Свойство	Сталь 5140	AISI 4140	AISI 4340	Краткая запись о плюсе/минусе или компромиссе
Основное механическое свойство	Высокая прочность	Умеренная прочность	Очень высокая прочность	5140 предлагает баланс прочности и стойкости
Ключевой аспект коррозии	Умеренная	Плохая	Умеренная	5140 лучше, чем 4140, но не так хорош, как 4340
Свариваемость	Хорошая	Умеренная	Плохая	5140 легче сваривать, чем 4340
Обрабатываемость	Умеренная	Плохая	Плохая	5140 более обрабатываема, чем обе альтернативы
Формуемость	Умеренная	Плохая	Плохая	5140 позволяет лучше формовать
Приблизительная относительная стоимость	Умеренная	Умеренная	Более высокая	Экономически оправдана для своих свойств
Типичная доступность	Общепринятая	Общепринятая	Менее распространенная	5140 широко доступна в различных формах

При выборе стали 5140 учитываются её механические свойства, доступность и экономическая эффективность. Её умеренная коррозионная стойкость и свариваемость делают её подходящей для различных приложений, в то время как её обрабатываемость может быть ограничивающим фактором в некоторых случаях. Понимание специфических требований приложения имеет решающее значение для оптимального выбора материала.