Q235 Steel проти 45 Сталь проти сталі 40Cr

В інженерній практиці, вибір сталі безпосередньо впливає на продуктивність, виробництво, надійність, і вартість компонентів.

Три сталі, які часто згадуються в китайських і міжнародних стандартах — Q235, 45 сталь, і 40Cr — покривають широкий спектр вимог до дизайну, від основних конструкційних опор до високоміцних механічних частин.

Хоча кожен з них базується на залізовуглецевій металургії, їхні стратегії легування, мікроструктурна поведінка, механічні показники, і оптимальні програми суттєво відрізняються.

Ця стаття пропонує різносторонню точку зору, авторитетний, і глибоке порівняння для спрямування вибору матеріалу та прийняття інженерних рішень.

1. Металургійна ідентичність і класифікація

Сталь Q235

Q235 - це a низьковуглецевої конструкційної сталі широко використовується в загальному машинобудуванні та будівництві.

Це найпоширеніший китайський вуглецева сталь клас, еквівалентно ASTM A36 і A S235JR. Q235 пропонує a баланс сил, пластичність, і зварюваність, що робить його придатним для мостів, будівлі, корабельні конструкції, трубопроводи, і рами машин.

Особливості

• Хімічний склад: Вуглець ≤ 0,20–0,25%, Mn 0,30–0,70%, слід S і P.
• Механічні властивості: Межа текучості ≈ 235 MPA, міцність на розрив ≈ 375–500 МПа.
• Піддається зварюванню та формуванню: Можна легко вирізати, зварні, і холодноформовані.
• Економічний: Економічний варіант для загального конструкційного застосування.
• Заявки: Будівельні балки, структурні каркаси, суднобудування, Судна тиску.

45 Сталь (також відомий як C45 або 1.1191)

45 сталь - це a середньовуглецева сталь широко використовується в Китаї та за кордоном для механічні частини, що вимагають більшої міцності та твердості, ніж низьковуглецеві сталі.

Це приблизно відповідає Aisi 1045. Підходить для валів, шестерні, і кріплення, які є механічно навантажений і може бути термічно оброблений.

Особливості

• Хімічний склад: Вуглець ≈ 0,42–0,50%, Mn 0,50–0,80%, S/P <0.05%.
• Механічні властивості (відпалений): Міцність на розрив ≈ 570–700 МПа, межа текучості ≈ 330–500 МПа.
• Піддається термообробці: Можна загартувати та відпускати для досягнення більш високої твердості та зносостійкості.
• Хороша оброблюваність і помірна в'язкість: Врівноважує міцність і технологічність.
• Заявки: Вали, шестерні, болти, осі, шатуни, і механічні частини при помірних навантаженнях.

40Cr сталь (також відомий як 1.7035)

40Cr є a середньовуглецеві, хром-легована сталь широко використовується в програмах, що вимагають вища сила, твердість, і носійне опір ніж звичайні середньовуглецеві сталі.

Хром покращує прогартовуваність, Корозійна стійкість, і втомна міцність. Це приблизно еквівалентно Aisi 5140.

Особливості

• Хімічний склад: Вуглець ≈ 0,37–0,44%, Хром ≈ 0,80–1,10%, Mn 0,50–0,80%, S/P <0.035%.
• Механічні властивості (нормалізовано): Міцність на розрив ≈ 745–930 МПа, межа текучості ≈ 435–600 МПа.
• Відмінна прогартовуваність: Можна гартувати та відпускати для досягнення високої твердості (До HRC 50) для зносостійких деталей.
• Хороша стійкість до втоми та міцність: Підходить для критичних механічних компонентів.
• Заявки: Вали, шестерні, колінчасті вали, важкі осі, шпинделі, та інші високоміцні механічні частини.

2. Порівняння хімічного складу: Q235 Steel проти 45 Сталь проти сталі 40Cr

Хімічний склад сталі безпосередньо визначає її фазові перетворення та механічні властивості.

У наступній таблиці представлені стандартні діапазони складу (відповідно до китайських національних стандартів) і функціональні механізми ключових елементів для трьох сталей:

Ключові відмінності:

Q235 має низький вміст вуглецю та відсутність навмисних легуючих елементів, акцентуючи увагу на технологічності; 45 сталь має більший вміст вуглецю та суворіший контроль за домішками, можливість термічної обробки;

40Cr додає хром для оптимізації зміцнюваності та механічних властивостей, подолання розриву між вуглецевою та високолегованою сталлю.

3. Мікроструктурні характеристики: Від стану поставки до станів термічної обробки

Мікроструктура — зв’язок між хімічним складом і механічними властивостями.

Три сталі демонструють різні мікроструктури в різних станах, безпосередньо впливаючи на їх продуктивність:

Стан поставки (Гарячекатаний)

• Сталь Q235: Складається з фериту (α-Fe) + перліт (пластинчаста суміш фериту і цементиту). Ферит є основною фазою (70–80%), забезпечення хорошої пластичності та зварюваності.
  Вміст перліту (20–30%) забезпечує помірну міцність. Структура крупнозерниста завдяки низькому вмісту сплаву і простому процесу гарячої прокатки.
• 45 Сталь: Ферит + перліт, з підвищеним вмістом перліту (40–50%) ніж Q235 через вищий вміст вуглецю.
  Структура більш тонка і однорідна (високоякісна сталь), з меншою кількістю включень, що забезпечує кращий баланс міцності та міцності.
• 40Cr сталь: Ферит + перліт + сліди багатих хромом карбідів. Хром покращує розмір зерна, роблячи пластини перліту тоншими, ніж 45 сталь.
  Наявність карбідів хрому (Cr₃C) закладає основу для подальшого посилення термічної обробки.

Термічно оброблений стан (Гасіння + Загартовування, Q&Т)

• Сталь Q235: Погана загартовуваність; гасіння (водяне охолодження) утворює лише мартенсит у поверхневому шарі, з серцевиною, що залишається ферито-перлітною.
  Термічна обробка використовується рідко, оскільки це не може значно покращити загальну продуктивність і може спричинити деформацію/розтріскування.
• 45 Сталь: Після гасіння (840–860 ℃ вода/масляне охолодження), структура перетворюється в рейковий мартенсит (твердий, але крихкий).
  Гартування при 200-300 ℃ (низький гарт) виробляє відпущений мартенсит, підвищення міцності при збереженні високої твердості.
  Загартування при 500–600 ℃ (середнього відпуску) утворює сорбіт, досягнення балансу сил (σᵤ≥600 МПа) і пластичність (δ≥15%).
• 40Cr сталь: Відмінна прогартовуваність; масляне охолодження (замість водяного охолодження) може досягти повного мартенситного перетворення навіть для заготовок діаметром ≤50 мм.
  Після середнього загартування (520–560 ℃), структура стає загартованим сорбітом (дрібнозернистий сорбіт + дисперсні карбіди), з більш високою міцністю і міцністю, ніж 45 сталь. Хром стабілізує структуру мартенситу, зниження відпускної крихкості.

4. Порівняння механічних властивостей — сталь Q235 проти 45 Сталь проти сталі 40Cr

5. Характеристики термічної обробки: Здатність до гартування та адаптованість до процесу

Чуйність на термічну обробку (Загартовування, стійкість темпераменту) визначає сферу застосування сталі. У цьому відношенні ці три сталі істотно відрізняються:

Прогартовуваність

• Сталь Q235: Дуже погана прогартовуваність. Критична швидкість охолодження висока; тільки тонкі заготовки (≤5 мм) може утворювати невелику кількість мартенситу після охолодження водою, а товсті заготовки залишаються феритно-перлітними.
  Термічна обробка економічно невигідна, тому він використовується в стані поставки.
• 45 Сталь: Помірна прогартовуваність. Заготовки діаметром ≤20 мм можуть отримати повний мартенсит шляхом охолодження водою; для більш товстих заготовок (20–40 мм), охолодження масла призводить до неповного затвердіння (ядро сорбіт).
  Підходить для середнього розміру, деталі середнього навантаження, що потребують термічної обробки.
• 40Cr сталь: Відмінна прогартовуваність. Хром знижує критичну швидкість охолодження, можливість повного мартенситного перетворення в заготовках діаметром ≤50 мм шляхом масляного охолодження (уникнення деформації/розтріскування, спричиненого водяним охолодженням).
  Для заготовок до 80 мм, водно-масляне гартування дозволяє досягти рівномірного затвердіння, що робить його придатним для великих, важкі частини.

Загальні процеси та наслідки термічної обробки

• Відпал: Q235 відпал (600–650 ℃) знімає напругу при коченні; 45/40Cr відпал покращує зерна та зменшує твердість для механічної обробки. 40Cr відпал також розчиняє карбіди хрому, підготовка до гасіння.
• Нормалізація: Q235 нормалізується (880–920 ℃) покращує однорідність структури; 45/40Нормалізація Cr підвищує міцність і міцність, використовується як попередня обробка складних деталей.
• Гасіння + Загартовування: Основний процес для 45/40Cr. 45 сталь використовує загартування водою + середнього відпуску; 40Cr використовує масляне гасіння + середнього відпуску, досягнення кращої комплексної продуктивності та меншої деформації.
• Поверхневе затвердіння: 45/40Cr може піддаватися індукційному зміцненню або цементації (45 сталь) для підвищення твердості поверхні (HRC 50–60) для зносостійких деталей.
  40Вміст хрому в Cr підвищує ефект зміцнення поверхні та зносостійкість.

6. Продуктивність обробки: Кастинг, Кування, Зварювання, і механічна обробка

Продуктивність обробки безпосередньо впливає на ефективність виробництва та вартість, і є ключовим фактором для вибору матеріалу в масовому виробництві:

Кастинг продуктивності

• Сталь Q235: Погана здатність до лиття. Низький вміст вуглецю та сплаву призводить до поганої текучості розплаву та високої швидкості усадки, схильність до усадочних порожнин і пористості. Рідко використовується для лиття; в основному для прокатки та формування.
• 45 Сталь: Помірна здатність до лиття. Більш високий вміст вуглецю покращує плинність порівняно з Q235, але все ще схильні до гарячого розтріскування. Використовується для литих деталей малого та середнього розміру з низькими вимогами до точності.
• 40Cr сталь: Краща здатність до лиття, ніж 45 сталь. Хром покращує структуру лиття, зменшення усадки та схильності до гарячих тріщин.
  Підходить для деталей точного лиття, що потребують термічної обробки, але вартість лиття вище, ніж прокатки.

Продуктивність кування

• Сталь Q235: Чудова продуктивність кування. Діапазон температур кування (1150–850 ℃) широкий, з хорошою пластичністю і низькою стійкістю до деформації. Підходить для гарячого кування простих форм (Напр., болти, дужки).
• 45 Сталь: Хороші показники кування. Температура кування (1100–800 ℃); вимагає рівномірного нагріву, щоб уникнути розтріскування. Ковані деталі мають очищені зерна, поліпшення ефекту термообробки.
• 40Cr сталь: Помірна продуктивність кування. Хром підвищує стійкість до деформації, вимагають більшої сили кування та суворішого контролю температури (1100–820 ℃).
  Посткувальний відпал необхідний для усунення внутрішніх напруг і підготовки до термообробки.

Продуктивність зварювання

• Сталь Q235: Чудова продуктивність зварювання. Низький вміст вуглецю запобігає утворенню мартенситу в зоні термічного впливу (Хаз), без попереднього підігріву або термообробки після зварювання (Pwht) необхідний для тонких заготовок. Сумісний з усіма методами зварювання (SMAW, GMAW, GTAW).
• 45 Сталь: Погана продуктивність зварювання. Високий вміст вуглецю призводить до твердого мартенситу в HAZ, схильні до холодного розтріскування.
  Попереднє нагрівання (150–200 ℃) і PWHT (відпуск при 600–650 ℃) є обов'язковими. Зварювання використовується тільки для ремонту, не для несучих зварних швів.
• 40Cr сталь: Нижча продуктивність зварювання, ніж 45 сталь. Хром підвищує здатність до зміцнення в ЗТВ, підвищення ймовірності холодного розтріскування та відпускної крихкості.
  Суворий підігрів (200–300 ℃), зварювання з низьким нагріванням, і PWHT необхідні. Зазвичай уникають зварювання; механічне з'єднання (болтове кріплення, заклепка) є кращим.

Обробка Виконання

• Сталь Q235: Чудова продуктивність обробки. Низька твердість і хороша пластичність полегшують різання, з низьким зносом інструменту.
  Підходить для високошвидкісної обробки та автоматизованих виробничих ліній (Напр., обробка кронштейнів, пластини).
• 45 Сталь: Хороша продуктивність обробки в стані поставки (HBW 190–230). Після термічної обробки (твердість > HRC 30), збільшується складність обробки, потребує твердосплавних інструментів. Це типова «механічна термічно оброблена сталь».
• 40Cr сталь: Помірна продуктивність обробки в стані доставки. Хром підвищує стійкість до різання, тому знос інструменту вище, ніж 45 сталь.
  Після Q&Т (HBW 280–320), обробка вимагає більш високої швидкості різання та контролю швидкості подачі, з вартістю обробки на 15–20% вищою, ніж 45 сталь.

7. Корозійна стійкість

Усі три сталі є вуглецевими/легованими конструкційними сталями без корозійностійких легуючих елементів. (Вміст Cr у 40Cr занадто низький для утворення пасивної плівки), тому їх стійкість до корозії, як правило, погана, з невеликими відмінностями:

• Сталь Q235: Погана стійкість до корозії. Високий вміст домішок (S, С) і низький вміст сплаву прискорюють атмосферну та прісноводну корозію, зі швидкістю корозії 0,1–0,3 мм/рік у промислових атмосферах. Треба захищати (малювання, гальванування) для зовнішнього обслуговування.
• 45 Сталь: Трохи краща стійкість до корозії, ніж Q235. Низький вміст домішок і тонша структура зменшують місця початку корозії.
  Швидкість корозії становить 0,08–0,25 мм/рік у промислових атмосферах, все ще потребує захисту для довгострокової служби.
• 40Cr сталь: Найкраща стійкість до корозії серед трьох. Хром утворює на поверхні тонку оксидну плівку, запобігання корозії.
  Швидкість корозії становить 0,05–0,20 мм/рік у промислових атмосферах, і він має кращу стійкість до слабких кислот/основ, ніж Q235 і 45 сталь.
  Однак, він все ще страждає від точкової корозії в середовищі з високим вмістом хлоридів, потребують антикорозійної обробки (хромування, малювання).

8. Сценарії застосування Q235 Steel проти 45 Сталь проти сталі 40Cr

Застосування трьох сталей суворо залежить від їх продуктивності та вартості, охоплюють різні галузі промисловості:

Сталь Q235

Недорого, конструкційна сталь загального призначення. Програми включають:

• Будівництво та будівництво: Сталеві каркаси, балки, колонки, сталеві пластини, і арматура для звичайних будівель, мости, та майстерні.
• Механічне виробництво: Ненесучі частини (дужки, бази, обкладинки), болти, горіхи, і шайби для малонавантаженого обладнання.
• Трубопровід і контейнер: Водопроводи низького тиску, резервуари для зберігання, і кронштейни для неагресивних середовищ.

45 Сталь

Середньої міцності, термооброблена вуглецева сталь. Програми включають:

• Механічні частини: Шестірні вали, шатуни, колінчасті вали, болти, і гайки для обладнання середнього навантаження (Напр., маленькі двигуни, насос, та сільськогосподарської техніки).
• Компоненти інструменту: Леза, удари руками, і вмирає для низької швидкості, малозношувані інструменти (після затвердіння поверхні).
• Автомобільна промисловість: Некритичні частини (Напр., педалі гальма, поворотні кулаки) для автомобілів низького класу.

40Cr сталь

Високоміцна, легована конструкційна сталь. Програми включають:

• Деталі механічної трансмісії: Високонавантажені вали-шестірні, приводні вали, шестерні, і підшипники для важкої техніки (Напр., інженерна техніка, верстат).
• Автомобільний та аерокосм: Критичні частини (Напр., колінчасті вали двигуна, розподільні вали, передавальних механізмів) для транспортних засобів високого класу та легких літаків.
• Нафтохімічна промисловість: Фланці для трубопроводів високого тиску, клапани, і вали насосів для середньої корозії, середовища з високим навантаженням.

9. Порівняння вартості та ефективності

Вартість є ключовим фактором у великомасштабному виробництві. Відносна вартість (взявши за основу Q235) і економічна ефективність трьох сталей є такими:

10. Висновок

Порівняльний аналіз сталь Q235, 45 сталь, і сталь 40Cr підкреслює, як вміст вуглецю, легування, і термічна обробка впливають на механічні характеристики, виробництво, і придатність застосування.

• сталь Q235 є a низьковуглецевої конструкційної сталі з відмінною пластичністю, зварюваність, і формуваність.
  Його економічна ефективність робить його ідеальним для загальні конструкційні та виробничі програми, але він має обмежену міцність і вимагає захисту від корозії.
• 45 сталь є a середньовуглецеві, термооброблена сталь забезпечує вищу міцність і твердість, ніж Q235.
  Коли загартований і відпущений, досягається значно покращена міцність на розрив і зносостійкість, що робить його придатним для механічні частини, такі як вали, шестерні, і осі.
• 40Cr сталь є a середньовуглецевої хромистої сталі призначений для високоміцні та стійкі до втоми застосування.
  Його глибока прогартовуваність і зносостійкість дозволяють працювати при великих циклічних навантаженнях, як видно в колінчасті вали, шатуни, і високонавантажених компонентів машин.

Підсумок: Вибір матеріалу повинен бути збалансованим міцність, міцність, обробка, зварюваність, і вартість проти вимог служби.
Q235 підходить для конструкцій і низьких навантажень, 45 сталь покриває механічні частини з помірним навантаженням, а сталь 40Cr відрізняється високою міцністю, висока стомлюваність, і критичні до зносу компоненти.

 

Поширені запитання

У чому головна відмінність Q235, 45, і сталі 40Cr?

• Q235 — низьковуглецева конструкційна сталь; 45 сталь середньовуглецева і піддається термообробці; 40Cr — це середньовуглецева хромиста сталь з високою міцністю і гартуваністю.

Чи можна сталь Q235 термічно обробити для підвищення міцності?

• Ні, Низький вміст вуглецю в Q235 обмежує затвердіння під час термічної обробки. Підвищення міцності залежить від холодної обробки або оптимізації конструкції.

Яка сталь найкраща для валів і шестерень?

• 45 сталь підходить для середньонавантажених валів і шестерень; 40Cr кращий для високої міцності, висока стомлюваність, і зносостійкі механічні компоненти.

Сталь 40Cr стійка до корозії?

• Не властиво. Захисні покриття, покриття, або для корозійних середовищ необхідні конструктивні міркування.

Як впливає термічна обробка 45 і сталі 40Cr?

• Загартування і відпуск значно покращують міцність на розрив, твердість, і стійкість до втоми, що робить їх придатними для механічно складних компонентів.