1. 介绍
4140 钢是一种低合金铬酸铬.
它提供了极好的力量组合, 韧性, 并戴阻力, 使其成为要求工业应用的理想候选人.
本文探讨了 4140 从多个技术角度来看合金钢, 包括其化学成分, 机械行为, 热处理反应, 可加工性, 腐蚀性能, 和常用用途.
2. 化学成分 4140 合金钢
独特的表现 4140 合金钢 起源于其精心控制的化学成分:
| 元素 | 重量 % | 在钢质中的作用 |
|---|---|---|
| 碳 (c) | 0.38–0.43 | 增强力量和可耐用性 |
| 铬 (Cr) | 0.8–1.1 | 改善硬度, 戴阻力, 和腐蚀 |
| 锰 (Mn) | 0.75–1.0 | 增强韧性和脱氧 |
| 钼 (莫) | 0.15–0.25 | 增强蠕变的阻力和硬化深度 |
| 硅 (和) | 0.15–0.35 | 增加力量, 稍微改善韧性 |
| 磷 (p) | ≤ 0.035 | 通常最小 |
| 硫 (s) | ≤ 0.04 | 增加可加工性，但可以降低韧性 |
与类似的合金相比 4130 (下碳) 和 4340 (更高的镍), 4140 平衡强度和可加工性, 使其成为许多结构应用的实用且具有成本效益的解决方案.
3. 物理特性 4140 钢
| 财产 | 价值 | 单元 | 笔记 |
|---|---|---|---|
| 密度 | 7.85 | g/cm³ | 低合金钢的典型 |
| 弹性模量 (e) | 〜205 | GPA | 紧张和压缩的僵硬 |
| 剪切模量 (g) | 〜80 | GPA | 对扭转应用有用 |
| 泊松比 | 0.27–0.30 | - | 横应应变与轴向应变的比率 |
| 导热率 | 42.6 | w/m·k | 在 100 °C; 随着温度较高而略有下降 |
| 比热容量 | 475 | j/kg·k | 在室温下大约 |
| 电阻率 | 205 | NΩ·m (纳米欧姆仪表) | 高于纯铁; 与铜相比，电导率低 |
| 热膨胀系数 | 〜12.0 | µm/m·k (20–100°C范围) | 对于设计热循环或尺寸稳定性很重要 |
| 熔点 | 1416–1471 | °C | 由于合金元素而导致的范围较窄 |
4. 机械性能 4140 钢
AISI 4140 是一种多功能的铬合金钢，以其出色的机械强度而闻名, 韧性, 和抗疲劳性.
这些 4140 钢质特性可能取决于其热处理条件 (例如。, 退火, 归一化, 淬灭, 或纠正).
机械性能表
| 财产 | 退火 | 淬灭 & 纠正 (问&t) | 单元 | 笔记 |
|---|---|---|---|---|
| 产生强度 | 〜655 MPA | 到 1,600 MPA | MPA (巨质) | 问&t显着提高力量 |
| 〜95 ksi | 〜232 ksi | KSI (帝国) | ||
| 抗拉强度 | 850–1,000 MPA | 1,000–1,100 MPA | MPA | 各种热处理后的典型范围 |
| 123–145 KSI | 145–160 ksi | KSI | ||
| 休息时伸长 | 25–30％ | 12–18％ | % | 退火状态较高 |
| 减少面积 | 〜50％ | 〜45％ | % | 延展性和表现性指标 |
| 硬度 (罗克韦尔c) | 18–28 hrc | 最多50–55 HRC | HRC | 对淬火和回火高度响应 |
| Charpy V-Notch韧性 | >54 j (退火) | 20–35 j (问&高硬度) | 焦耳 | 冲击负载应用程序的性能 |
| 疲劳强度 (耐力极限) | 〜420 MPA | 到 700 MPA | MPA | 取决于表面表面和加载周期 |
| 弹性模量 (e) | 〜205 GPA | - | GPA | 刚度在条件下保持恒定 |
5. 热处理行为 4140 合金钢
AISI 4140 合金钢对各种热处理过程高度敏感, 允许其实现针对特定工程应用量身定制的各种机械性能.
它的铬和钼含量可增强其坚固性, 使其特别适合淬火和回火操作.
常见的热处理过程
| 过程 | 典型的温度范围 (°C) | 目的 |
|---|---|---|
| 退火 | 760–790°C | 完善谷物结构, 软钢, 提高可加工性 |
| 标准化 | 870–900°C | 增加均匀性, 完善结构, 提高机械一致性 |
| 淬火 | 〜845–875°C, 然后是油/水/聚合物淬火 | 产生高硬度和力量的马氏体结构 |
| 回火 | 400–650°C (季后赛) | 调整硬度, 缓解内部压力, 改善延展性 & 韧性 |
| 东部回火 | 淬灭至260–400°C, 保持直到转变 | 产生Bainitic结构, 减少失真, 平衡力量阻力 |
6. 可加工性和捏造 4140 钢
可加工性
材料 4140 钢在其退火状态下具有适度的可加工性，并且随着硬度的增加而变得更具挑战性.
在退火状态 (通常约18-22 hrc), 它可以用高速钢或碳化物工具加工, 产生良好的表面饰面和可接受的工具寿命.
然而, 一旦钢淬灭并恢复到更高的硬度水平 (例如30–50 HRC), 它的可加工性降低.
在这个阶段, 碳化物工具, 降低切割速度, 和刚性机器设置对于避免工具磨损和部分失真至关重要.
为了 CNC转动, 铣削, 或钻井操作, 使用适当的冷却方法（尤其是洪水冷却液）助焊剂散发热量并改善芯片疏散.
训练更艰难 4140 部分通常需要钴或碳化物的工具, 虽然挖掘硬化的零件可能受益于螺纹铣削或形成水龙头，而不是常规的切割水龙头.
焊接
焊接 4140 由于其高强度和破裂的风险，钢需要谨慎.
减轻这些风险, 强烈建议您预热工件（按照厚度，都可以截至200-400°C.
保持200–300°C左右的间距温度有助于防止热冲击和氢诱导的裂纹.
焊接后, 在大约600–650°C下的应力放置组件有助于恢复延展性并减少残余应力.
通常使用低水量电极（例如E8018-B2或ER80S-D2）用于填充材料，以确保兼容并降低孔隙率.
在关键应用中, 焊后热处理 (PWHT) 保持焊接区的完整性和韧性是必要的.
冷热
4140 合金钢可以在其退火状态下冷工作, 尽管与低碳钢相比，其强度更高，限制了其延展性.
可能是可能的，例如绘画和涂抹诸如绘画和摇动过程.
热工作, 包括锻造和热滚, 对钢更有利 4140.
理想的锻造温度范围在900°C和1200°C之间, 材料通常在850°C以上完成.
热成形后, 建议进行标准化或退火，以完善晶粒结构并准备钢以进行最终加工或热处理.
7. 耐腐蚀性 4140 钢
尽管 4140 合金钢在机械强度上表现出色, 它缺乏固有的耐腐蚀性.
在潮湿或海洋环境中, 除非受到保护，否则很容易氧化. 为了反对这个, 表面处理，例如:
- 硝化 用于表面硬化和氧化阻力
- 黑色氧化物涂料 用于轻腐蚀
- 电镀或绘画 在高水平环境中
8. 通用形式和标准
4140 合金钢有各种各样的商业形式可容纳多种工业应用.
它以不同形状的可用性, 结合其出色的机械性能和热处理多功能性, 使其成为标准和定制组件的流行选择.
常见的形式 4140 钢
制造商和制造商可以获得 4140 多种形式的钢, 取决于预期的用途和所需的处理:
- 圆条: 通常用于轴, 别针, 齿轮, 和紧固件, 圆条是最常提供的钢形式之一 4140 由于它们在加工和热处理中的多功能性.
- 平杆和盘子: 工具的理想选择, 佩戴组件, 以及需要大型表面接触区域的结构零件.
这些形式也适用于火焰切割或水喷射的加工. - 锻件和光盘: 用于高强度旋转机械，例如轴承赛, 耦合, 和法兰.
- 空心条和管: 在需要减轻体重的同时需要减轻体重的应用中首选, 例如液压缸和荷.
- 块和坯料: 适用于定制加工和大型锻造组件. 这些通常用于制造和重型工业设备.
行业标准和名称 4140 钢
| 标准组织 | 指定 | 地区/国家 | 描述 |
|---|---|---|---|
| ASTM | ASTM A29 | 美国 | 碳和合金钢的热制成棒的一般规范 |
| ASTM | ASTM A322 | 美国 | 机械应用中使用的合金钢条的规范 |
| ASTM | ASTM A519 | 美国 | 无缝碳和合金钢机械管的规格 |
Sae |
Sae 4140 | 美国 | 用于汽车和工程应用的铬酸盐低合金钢 |
| AISI | AISI 4140 | 美国 | 常用的名称与SAE对齐 4140 |
| 在 / 从 | 1.7225 / 42CRMO4 | 欧洲 / 德国 | 欧洲等效于EN 10083 淬火和脾气钢 |
| 他 | SCM440 | 日本 | 日本同等高强度合金钢 |
| GB | 42CRMO | 中国 | 中国等效具有类似的机械性能 |
9. 申请 4140 合金钢
钢 4140 是需要强度的应用中的首选材料, 韧性, 并在疲劳和冲击负荷下磨损阻力:
- 汽车: 齿轮, 曲轴, 拉杆, 车轴
- 航天: 起落架组件, 执行者
- 油 & 气体: 钻领, 液压压裂零件
- 制造业: 曼德尔, 死亡, 模具, 工具持有人
案例研究: 在比较疲劳测试中, 钢 4140 问&T齿轮轴已演示 10x寿命 由低碳钢制成的类似设计, 突出其长期价值.
10. 优势和局限 4140 合金钢
优势:
- 高的 强度到重量 结构应用的比率
- 出色的 戴阻力 硬化后
- 多功能热处理 回复
- 随时以多种形式和标准提供
限制:
- 不适合 腐蚀性环境 没有表面保护
- 需要 小心的焊接 避免破裂的练习
- 成本更高 比普通碳钢的复杂性
11. 结论
4140 合金钢提供了令人信服的机械强度的混合物, 韧性, 并戴阻力, 使其在绩效至关重要的工程应用中必不可少.
适当的热处理并保护, 它在苛刻的运营条件下提供出色的服务寿命.
是否用于航空航天, 活力, 或工具组件, 材料 4140 钢仍然是现代制造业中最受信任和最有能力的材料之一.
了解其行为和处理要求的工程师可以充分利用其潜力.
这 如果您需要高质量的话，是制造需求的理想选择 4140 钢零件.
