Содержание
О марке и расшифровка обозначения
Сталь 40 относится к группе качественных конструкционных нелегированных (углеродистых) сталей. Основной стандарт на марку – ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия», который заменил ГОСТ 1050-88. Сталь 40 принадлежит к среднеуглеродистым: массовая доля углерода в ней составляет 0,37-0,45%.
Обозначение марки читается просто. Число «40» показывает среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента, то есть около 0,40%. Букв после числа нет. Это значит, что сталь не кипящая (индекс «кп» в обозначении отсутствует), не полуспокойная (индекс «пс»), с нормальным содержанием марганца (индекс «Г» не нужен, так как марганец находится в обычных для углеродистой стали пределах 0,50-0,80%) и не относится к специальным сталям с дополнительными требованиями.
Коротко о стали 40. Среднеуглеродистая конструкционная сталь, которая после термического улучшения (закалка с высоким отпуском) или нормализации даёт хорошее сочетание прочности и вязкости. Из неё делают детали средней нагруженности: валы, оси, шестерни, шатуны, крепёж. Для сложных сварных конструкций и работы при низких температурах её обычно не выбирают.
Сталь 40 занимает промежуточное положение в линейке углеродистых качественных сталей: по содержанию углерода она находится между сталью 35 и сталью 45, а по свойствам ближе к этим соседям. Различия между ними невелики, поэтому в чертежах и спецификациях марки нередко взаимозаменяют, но только после проверки по требуемым механическим свойствам и условиям термообработки.
Группа стали
Конструкционная углеродистая качественная, среднеуглеродистая.
Основной стандарт
ГОСТ 1050-2013 (общие технические условия на металлопродукцию из нелегированных сталей).
Поставка
Круг, квадрат, шестигранник, полоса, лист, калиброванный и кованый прокат, поковки.
Термообработка
Нормализация, закалка с отпуском (улучшение), поверхностная закалка.
Общую информацию о стандартах на металлопрокат можно найти в справочнике ГОСТов, а список других марок сталей и сплавов – в марочнике.
Химический состав по ГОСТ 1050-2013
Химический состав стали 40 приведён в таблице 1 ГОСТ 1050-2013. Содержание мышьяка нормируется отдельно, по п. 5.1.8 стандарта. Ниже даны только те элементы, которые стандарт нормирует для этой марки.
| Элемент | Массовая доля, % | Примечание |
|---|---|---|
| Углерод (C) | 0,37-0,45 | Диапазон, определяет класс стали как среднеуглеродистой |
| Кремний (Si) | 0,17-0,37 | Диапазон, раскислитель |
| Марганец (Mn) | 0,50-0,80 | Диапазон, нормальное содержание для углеродистой стали |
| Фосфор (P) | не более 0,030 | Вредная примесь, только верхний предел |
| Сера (S) | не более 0,035 | Вредная примесь, только верхний предел |
| Хром (Cr) | не более 0,25 | Остаточный элемент, не вводится намеренно |
| Никель (Ni) | не более 0,30 | Остаточный элемент |
| Медь (Cu) | не более 0,30 | Остаточный элемент |
| Мышьяк (As) | не более 0,08 | Норма по п. 5.1.8 ГОСТ 1050-2013 |
Порядок колонок в таблице 1 стандарта: C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Cu. Фосфор в ней идёт раньше серы, и при переносе данных эти два элемента легко перепутать: верхний предел для фосфора 0,030%, для серы 0,035%.
Что не нормируется. Для стали 40 ГОСТ 1050-2013 не устанавливает требований по молибдену, ванадию, вольфраму и титану. Если в сертификате или спецификации встречаются такие требования, они относятся к другой марке или к дополнительному соглашению сторон, а не к стандартной стали 40.
Роль основных элементов
- Углерод. Главный упрочняющий элемент. Чем выше его доля, тем выше прочность и твёрдость после термообработки, но ниже пластичность и хуже свариваемость.
- Марганец. Повышает прочность и прокаливаемость, снижает вредное влияние серы.
- Кремний. Раскисляет сталь и немного повышает предел текучести.
- Фосфор и сера. Нежелательные примеси. Фосфор способствует хладноломкости, сера красноломкости, поэтому стандарт ограничивает их сверху.
- Хром, никель, медь. В стали 40 это остаточные элементы, попадающие в металл из шихты. Стандарт ограничивает их верхним пределом, при этом специально они не вводятся.
Плотность стали 40, как и большинства углеродистых сталей, принимается равной примерно 7,85 г/см³ для расчёта теоретической массы проката.
Механические свойства
Механические свойства стали 40 зависят от вида проката и термической обработки. ГОСТ 1050-2013 нормирует их на образцах, вырезанных из заготовок сечением 25 мм, прошедших нормализацию. В таблице приведены значения, гарантируемые стандартом для этого состояния.
| Показатель | Обозначение | Значение по ГОСТ 1050-2013 |
|---|---|---|
| Предел текучести | σт | не менее 335 МПа |
| Временное сопротивление (предел прочности) | σв | не менее 570 МПа |
| Относительное удлинение | δ5 | не менее 19% |
| Относительное сужение | ψ | не менее 45% |
| Ударная вязкость при +20 °C | KCU | не менее 47 Дж/см² |
Это минимально гарантируемые значения. Фактические показатели конкретной партии, как правило, выше, но рассчитывать на них при проектировании нельзя: за основу берутся нормы стандарта.
Твёрдость проката в состоянии поставки
Твёрдость по Бринеллю нормируется для горячекатаного и кованого проката без термической обработки и для проката после отжига или высокого отпуска.
| Состояние проката | Твёрдость HB, не более |
|---|---|
| Горячекатаный и кованый без термообработки | 217 |
| Отожжённый или высокоотпущенный | 187 |
Значения HB, как и показатели по таблице выше, отражают требования стандарта к состоянию поставки и гарантируют обрабатываемость резанием.
Режимы термической обработки заготовок для испытаний
При определении механических свойств термообработку образцов выполняют по режимам, указанным в стандарте. Для стали 40 они такие:
| Операция | Температура нагрева, °C |
|---|---|
| Нормализация | 860 |
| Закалка | 840 |
| Отпуск | 600 |
Важно. Табличные значения σт, σв, δ5, ψ и KCU относятся к нормализованному состоянию образцов из заготовок сечением 25 мм. После закалки с отпуском прочность выше, но конкретные значения зависят от сечения и режима отпуска. Их нужно согласовывать при заказе, а не брать из таблицы нормализованного состояния.
Для калиброванного проката, холоднотянутого и со специальной отделкой поверхности, а также для нагартованного состояния ГОСТ 1050-2013 и стандарты на сортамент задают отдельные нормы. Конкретные цифры нужно смотреть в соответствующей таблице стандарта и в сертификате на партию.
Сравнение со смежными марками
Чтобы оценить, как сталь 40 соотносится с ближайшими марками, сопоставим их по содержанию углерода и нормированным свойствам (нормализованные образцы по ГОСТ 1050-2013).
| Марка | Углерод, % | σт, МПа, не менее | σв, МПа, не менее | δ5, %, не менее |
|---|---|---|---|---|
| Сталь 35 | 0,32-0,40 | 315 | 530 | 20 |
| Сталь 40 | 0,37-0,45 | 335 | 570 | 19 |
| Сталь 45 | 0,42-0,50 | 355 | 600 | 16 |
С ростом содержания углерода прочность растёт, а пластичность снижается. Сталь 40 даёт сбалансированный вариант, если сталь 35 недостаточно прочна, а у стали 45 избыточно ограничена пластичность или ухудшена обрабатываемость.
Температурные условия работы и морозостойкость
Сталь 40 не относится ни к хладостойким, ни к жаропрочным сталям. Это обычная среднеуглеродистая сталь, у которой с понижением температуры ударная вязкость заметно падает, а склонность к хрупкому разрушению растёт.
Ограничение по минусовым температурам. ГОСТ 1050-2013 нормирует ударную вязкость KCU стали 40 при комнатной температуре. Гарантированных значений при отрицательных температурах для этой марки стандарт не задаёт. Для ответственных конструкций, работающих на открытом воздухе в условиях Урала и Севера, значения при нужной температуре должны быть оговорены в заказе и подтверждены испытаниями партии.
Наличие в стали фосфора и серы (до 0,030 и 0,035% соответственно) тоже влияет на хладноломкость. Чем чище металл по этим примесям, тем выше запас вязкости при низких температурах. Поэтому для деталей, которые будут эксплуатироваться в мороз под ударными нагрузками, приемлемо выбирать более легированные или специально раскисленные марки, а не сталь 40 в состоянии поставки.
Нагрев при эксплуатации
При длительной работе при повышенных температурах прочность углеродистой стали снижается, а при нагреве выше определённого предела начинается ползучесть. Для сталей типа 40 это означает, что детали, работающие в горячих зонах, нужно считать с запасом. Для длительной работы при высоких температурах применяют жаропрочные стали, а не конструкционные углеродистые.
- Для деталей с умеренным нагревом (валы, корпуса, шестерни) сталь 40 подходит.
- Для узлов, которые постоянно нагреваются до температур, близких к температурам отпуска, прочность после термоулучшения может снизиться.
- Если требуется стабильность свойств при нагреве, нужно подбирать легированную сталь.
Стандарты на виды проката
Сталь 40 выпускается в виде сортового, калиброванного и листового проката, а также поковок. Общие технические условия и нормы на качество металла устанавливает ГОСТ 1050-2013, а размеры и допуски по сортаменту определяются отдельными стандартами.
| Вид проката | Стандарт на сортамент | Примечание |
|---|---|---|
| Общие технические условия на металлопродукцию | ГОСТ 1050-2013 | Нормы химсостава, механических свойств и качества |
| Круг горячекатаный | ГОСТ 2590-2006 | Размеры и предельные отклонения |
| Квадрат горячекатаный | ГОСТ 2591-2006 | Размеры и предельные отклонения |
| Полоса горячекатаная | ГОСТ 103-2006 | Размеры и предельные отклонения |
| Круг и квадрат кованые | ГОСТ 1133-71 | Сортамент кованого проката |
| Круг калиброванный | ГОСТ 7417-75 | Холоднотянутый, точные допуски |
| Квадрат калиброванный | ГОСТ 8559-75 | Холоднотянутый |
| Шестигранник калиброванный | ГОСТ 8560-78 | Холоднотянутый |
| Круг со специальной отделкой поверхности («серебрянка») | ГОСТ 14955-77 | Повышенное качество поверхности |
| Лист и полоса толстые из качественной конструкционной стали | ГОСТ 1577-93 | Толстолистовой и широкополосный прокат |
| Поковки | ГОСТ 8479-70 | Поковки из конструкционной углеродистой и легированной стали |
Основным видом проката из стали 40 остаются круг и квадрат, поскольку из них точат и фрезеруют большинство деталей машин. Листовой прокат и полосу из этой марки применяют реже: для листовых деталей чаще берут стали с меньшим содержанием углерода и лучшей свариваемостью.
Что проверять при заказе. В спецификации стоит указывать полное обозначение: марка, стандарт на сортамент, стандарт на технические условия (ГОСТ 1050-2013), состояние поставки (горячекатаный, калиброванный, отожжённый, нагартованный), класс точности размеров, группу качества поверхности. Это исключает разночтения при приёмке.
Трубы из стали 40 в типовом сортаменте встречаются редко: для бесшовных труб обычно используют марки 10, 20, 35 и 45. Если вам нужна труба из именно этой марки, возможность изготовления нужно уточнять отдельно. Полный перечень стандартов на металлопрокат собран в разделе ГОСТы.
Где применяется сталь 40
Сталь 40 применяют там, где требуется прочность выше, чем у малоуглеродистых сталей, при умеренной стоимости и достаточной вязкости. Это детали средней нагруженности, которые обычно изготавливают механической обработкой и подвергают нормализации или термоулучшению.
Машиностроение
Валы, оси, шпиндели, зубчатые колёса, шестерни, звёздочки, муфты, рычаги и тяги для механизмов средней мощности.
Транспорт и техника
Шатуны, коленчатые валы небольших двигателей, детали трансмиссий, полуоси, ступицы, кулачки.
Крепёж
Болты, шпильки, гайки, винты и другие детали повышенной прочности, которые изготавливают из калиброванного проката.
Сельхозмашины и оборудование
Детали редукторов, приводные валы, оси, штоки, поковки средних размеров.
Почему выбирают именно эту марку
- Доступная цена по сравнению с легированными сталями.
- Хорошая обрабатываемость резанием в отожжённом состоянии и в состоянии поставки.
- Возможность упрочнения термообработкой: нормализацией, закалкой с высоким отпуском или поверхностной закалкой.
- Широкий сортамент проката, включая калиброванный и кованый.
Когда сталь 40 не подходит
- Крупные сечения с высокими требованиями по механическим свойствам в сердцевине: прокаливаемость углеродистой стали ограничена, и в больших сечениях после закалки упрочняется только поверхностный слой.
- Детали с высокими ударными нагрузками при низких температурах.
- Сложные сварные конструкции, где требуется надёжная сварка без подогрева.
- Коррозионная среда: сталь 40 не обладает коррозионной стойкостью и требует защиты покрытием.
Если по расчёту прочность стали 40 недостаточна, смежные решения: сталь 45 (выше содержание углерода) или легированные стали типа 40Х (с хромом), которые лучше прокаливаются и дают более высокие свойства после улучшения. Подробнее о других марках см. в марочнике.
Свариваемость и термообработка
Свариваемость
Сталь 40 относится к ограниченно свариваемым сталям. При содержании углерода 0,37-0,45% в зоне термического влияния при охлаждении возможно образование закалочных структур (мартенсита), и растёт риск холодных трещин. Чем толще металл и чем выше жёсткость соединения, тем выше этот риск.
Сварка без подготовки не рекомендуется. Для сварных конструкций, которые нужно нагружать, лучше выбирать стали с меньшим содержанием углерода. Если применение стали 40 в сварном узле неизбежно, процесс нужно проводить по технологической инструкции с подогревом и последующей термообработкой.
Типовой подход при сварке стали 40, если она необходима:
- Предварительный подогрев кромок до температур порядка 200-300 °C (ориентировочно, уточняется по толщине и жёсткости узла).
- Сварка электродами с основным видом покрытия, например типа Э50А по ГОСТ 9467-75 (марка УОНИ-13/55), с предварительной прокалкой по паспорту.
- При сварке в защитных газах применяют проволоку, например Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70.
- Замедленное охлаждение сварного соединения после сварки.
- Высокий отпуск или нормализация сварного узла для снятия напряжений и выравнивания структуры.
Режимы подогрева и отпуска указаны здесь справочно и зависят от конкретной конструкции, поэтому окончательные параметры устанавливает технолог по результатам аттестации процесса.
Термическая обработка
| Вид обработки | Назначение | Результат |
|---|---|---|
| Нормализация (860 °C по ГОСТ 1050-2013) | Измельчение зерна, выравнивание структуры после ковки и проката | Нормируемые стандартом σт, σв, δ5, ψ, KCU |
| Отжиг | Снижение твёрдости перед механической обработкой | Твёрдость не более 187 HB (для проката) |
| Закалка (840 °C) и отпуск (600 °C) | Улучшение: повышение прочности при сохранении вязкости | Свойства выше, чем в нормализованном состоянии, значения зависят от сечения |
| Поверхностная закалка (например, ТВЧ) | Упрочнение рабочей поверхности деталей с вязкой сердцевиной | Повышенная твёрдость и износостойкость поверхностного слоя |
Закалку проводят в воде или в масле, в зависимости от размера и формы детали. Для сложных по форме деталей применяют мягкие охлаждающие среды, чтобы снизить риск коробления и закалочных трещин. Температуры 860, 840 и 600 °C соответствуют режимам термообработки образцов, которыми стандарт пользуется для определения механических свойств.
Прокаливаемость стали 40 невысока: сквозная закалка возможна только на небольших сечениях. Для крупных деталей, которым нужны высокие свойства по всему сечению, выбирают легированные стали.
Обработка резанием
В состоянии поставки (горячекатаная, отожжённая) сталь 40 хорошо обрабатывается резанием на универсальных и станках с ЧПУ. Калиброванный прокат с точными допусками позволяет сократить припуски на обработку. После закалки обработка затруднена, поэтому основные операции выполняют до термообработки, а после неё остаётся только шлифование или чистовая обработка.
Зарубежные аналоги
Для стали 40 существуют близкие по химическому составу и назначению марки в зарубежных стандартах. Полной идентичности нет: допуски по химическому составу, нормы по механическим свойствам и условия поставки различаются, поэтому замена требует сверки со стандартом и согласования с заказчиком.
| Страна / система | Стандарт | Марка | Комментарий |
|---|---|---|---|
| Россия | ГОСТ 1050-2013 | Сталь 40 | Базовая марка |
| Германия, ЕС | EN 10083-2 | C40 (1.0511) | Близкий аналог, нормы по Mn и механическим свойствам отличаются |
| Германия, ЕС | EN 10083-2 | C40E (1.1186) | Вариант с более жёсткими ограничениями по сере и фосфору |
| США | ASTM A29/A29M, SAE J403 | SAE/AISI 1040 (UNS G10400) | Близкий аналог по углероду и области применения |
| Япония | JIS G 4051 | S40C | Близкий аналог, нормы химсостава несколько отличаются |
| Китай | GB/T 699 | 40 | Обозначение в китайском стандарте на качественную конструкционную сталь |
Как читать таблицу. «Аналог» здесь означает близкую по составу и назначению сталь, а не полную замену. Для критичных изделий сравнивайте таблицы химического состава и требования к термообработке в конкретных редакциях стандартов.
При импорте оборудования и запасных частей иногда необходимо подобрать отечественный металл по зарубежному обозначению. Для S40C, C40 и AISI 1040 основным ориентиром остаётся сталь 40, но решение о замене должен принимать технолог после проверки химического состава и механических свойств. Для обратной задачи действует то же правило.
Купить прокат из стали 40
Сталь 40 поставляется в следующих основных видах проката:
- круг горячекатаный и кованый разных диаметров;
- квадрат горячекатаный и кованый;
- калиброванный круг, квадрат и шестигранник;
- круг со специальной отделкой поверхности (серебрянка);
- полоса и толстолистовой прокат;
- заготовки и поковки по чертежам.
При заказе нужно указать марку, ГОСТ на сортамент, ГОСТ 1050-2013, размер, длину (мерная, кратная мерной, немерная), состояние поставки и объём партии. К металлу прилагается сертификат качества с химическим составом и результатами испытаний.
Подбор проката. Актуальный сортамент и остатки смотрите в разделе чёрного металлопроката. Если нужной позиции нет в каталоге, можно отправить запрос на поставку под заказ.
Резка в размер, порезка на заготовки и доставка по Екатеринбургу и регионам согласуются при оформлении заказа. Для ответственных деталей рекомендуется заказывать входной контроль химического состава партии.
Часто задаваемые вопросы
Что означает обозначение «Сталь 40»?
Число 40 указывает на среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента, то есть около 0,40%. По ГОСТ 1050-2013 углерод в стали 40 находится в пределах 0,37-0,45%. Это качественная конструкционная углеродистая сталь без легирующих элементов.
Каков химический состав стали 40 по ГОСТ 1050-2013?
Углерод 0,37-0,45%, кремний 0,17-0,37%, марганец 0,50-0,80%. Верхние пределы: фосфор не более 0,030%, сера не более 0,035%, хром не более 0,25%, никель не более 0,30%, медь не более 0,30%, мышьяк не более 0,08%.
Какие механические свойства гарантирует стандарт?
Для нормализованных образцов из заготовок сечением 25 мм: предел текучести не менее 335 МПа, временное сопротивление не менее 570 МПа, относительное удлинение не менее 19%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость KCU не менее 47 Дж/см².
Можно ли заменить сталь 40 на сталь 45?
Часто можно, но не автоматически. Сталь 45 содержит больше углерода (0,42-0,50%) и прочнее, но менее пластична. Замену допускают только после проверки требований чертежа к прочности, пластичности и условиям термообработки, а также согласования с конструктором.
Закаливается ли сталь 40?
Да, при содержании углерода 0,37-0,45% сталь закаливается. Она упрочняется закалкой с последующим отпуском, а также поверхностной закалкой. Прокаливаемость при этом невысокая: в крупных сечениях упрочняется преимущественно поверхностный слой.
Как сваривать сталь 40?
Сталь ограниченно свариваема. Требуется предварительный подогрев (ориентировочно 200-300 °C), электроды с основным покрытием (например, типа Э50А), замедленное охлаждение и последующая термообработка. Конкретные режимы определяет технолог по результатам аттестации процесса.
Подходит ли сталь 40 для работы при низких температурах?
ГОСТ 1050-2013 нормирует KCU для стали 40 при комнатной температуре и не гарантирует значения при отрицательных температурах. Для ответственных конструкций, работающих в мороз, требования по вязкости нужно оговаривать в заказе и подтверждать испытаниями либо выбирать другую марку.
Какие зарубежные аналоги у стали 40?
Близкие по составу марки: C40 и C40E по EN 10083-2, SAE/AISI 1040 по ASTM A29/A29M, S40C по JIS G 4051, марка 40 по GB/T 699. Полной идентичности нет, поэтому при замене сверяют химический состав и механические свойства.
Какие стандарты применяются к прокату из стали 40?
Общие технические условия задаёт ГОСТ 1050-2013. Сортамент определяют ГОСТ 2590-2006 (круг), ГОСТ 2591-2006 (квадрат), ГОСТ 103-2006 (полоса), ГОСТ 1133-71 (кованый), ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75 и ГОСТ 8560-78 (калиброванный), ГОСТ 14955-77 (серебрянка), ГОСТ 1577-93 (лист и полоса), ГОСТ 8479-70 (поковки).
В чём разница между сталью 40 и сталью 40Х?
Сталь 40 нелегированная, а 40Х легирована хромом. Хром повышает прокаливаемость и прочность после термоулучшения, поэтому 40Х применяют для более нагруженных деталей и больших сечений. Сталь 40 дешевле и подходит для деталей средней нагруженности.
Прокат из стали 40 в Екатеринбурге
УРТК поставляет сортовой, калиброванный и листовой прокат из конструкционных сталей с сертификатами качества. Подберите нужный сортамент в каталоге или отправьте запрос на расчёт.
Посмотреть прокат в каталоге