Конструкционная, легированная сталь 20ХН3А

Сталь 20ХН3А относится к конструкционным легированным сталям, которые широко используются в машиностроении, автомобильной промышленности и других отраслях. Эта сталь обладает высокой прочностью, хорошей износостойкостью и способностью выдерживать значительные нагрузки. В статье рассмотрим основные характеристики, механические свойства, химический состав и области применения стали 20ХН3А.

________________________________________________________________________________________________________________________

Стали заменители

20ХНГ, 20ХГНР, 38ХА, 15Х2ГН2ТА, 20ХГР

Зарубежные аналоги

Европа	31NiCr14
Япония	SNC631H
Франция (AFNOR)	20NC11
Швеция (SS)	2515

________________________________________________________________________________________________________________________

Расшифровка

Согласно ГОСТ 4543-2016 цифра 20 в обозначении стали указывает среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента, т.е. углерода в стали 20ХН3А около 0,2%
Буква Х указывает что в стали содержится хром, отсутствие цифр за буквой указывает, что хрома в стали содержится до 1,5%.
Буква Н указывает что в стали содержится никель, цифра 3 за буквой указывает, что никеле в стали содержится примерно до 3%.
Буква А в конце обозначения марки стали указывает, что сталь 20ХН3А является высококачественной, т.е. с повышенными требованиями к химическому составу и макроструктуре металлопродукции из нее по сравнению с качественной сталью.

________________________________________________________________________________________________________________________

Расшифровка маркировки

Сталь 20ХН3А относится к высококачественным легированным сталям. Маркировка расшифровывается следующим образом:

20 — содержание углерода около 0,2%.
Х — наличие хрома (до 1,5%).
Н3 — содержание никеля около 3%.
А — высококачественная сталь с повышенными требованиями к составу и структуре.

Сталь 20ХН3А поставляется в различных формах

Сортовой и фасонный прокат - ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88.
Калиброванный и шлифованный пруток - ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73, ГОСТ 103-76.
Полосы, поковки, кованые заготовки - ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70.
Трубы - ОСТ 14-21-77.

________________________________________________________________________________________________________________________

Характеристики и применение

Сталь 20ХН3А обладает высокой прокаливаемостью и отличными механическими свойствами, что делает её идеальной для изготовления деталей, работающих под ударными нагрузками и при отрицательных температурах. Основные области применения:

Машиностроение: шестерни, валы, втулки, силовые шпильки, болты, муфты, червяки.
Нефтегазовая промышленность: шестерни, кулачковые муфты, зубчатые колеса, шарошки буровых долот.

Термическая обработка

Для улучшения свойств стали проводится цементация при температуре 930–960 °C с последующей двойной закалкой и низким отпуском. Рекомендуется также высокий отпуск при 630–650 °C для уменьшения остаточного аустенита.

Температура критических точек, °С

Ac₁	Ас₃	Аr₃	Аr₁	M_н
730	810	700	615	340

Преимущества

Высокая прочность и износостойкость.
Устойчивость к ударным нагрузкам.
Возможность работы при низких температурах.

Сталь 20ХН3А широко используется в ответственных узлах, где требуются высокая прочность, пластичность и вязкость.

________________________________________________________________________________________________________________________

Химический состав, % (ГОСТ 4543-71)

C	Mn	Si	Cr	Ni	Р	S	Cu
					не более
0,17-0,24	0,30-0,60	0,17-0,37	0,60-0,90	2,75-3,15	0,025	0,025	0,30

________________________________________________________________________________________________________________________

Химический состав (ГОСТ 4543-2016)

Массовая доля элементов,%
C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Al	Ti	V	B
0,17-0,24	0,17-0,37	0,30-0,60	0,60-0,90	2,75-3,15	—	—	—	—	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Применение стали 20ХН3А для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 32569-2013)

Технические требования	Допустимые параметры эксплуатации		Назначение
	Температура стенки, °С	Давление среды, МПа (кгс/см₂), не более
СТП 26.260.2043	От -70 до +425	16(160)	Шпильки, болты, гайки

________________________________________________________________________________________________________________________

Применение стали 20ХН3А для изготовления крепежных деталей (ГОСТ 33259-2015)

Стандарт или ТУ на материал	Параметры применения
	Болты, шпильки		Гайки
	Температура рабочей среды, ºС	РN, кгс/cм²,не более	Температура рабочей среды, ºС	РN, кгс/cм²,не более
ГОСТ 4543	От –70 до 425	PN 250	От –70 до 425	PN 250

________________________________________________________________________________________________________________________

Условия применения стали 20ХН3А для корпусов, крышек, фланцев, мембран и узла затвора,изготовленных из проката, поковок (штамповок) (ГОСТ 33260-2015)

НД на поставку

Температура рабочей среды(стенки), °С

Дополнительные указания по применению

Сортовой прокат ГОСТ 4543

Поковки ГОСТ 8479

От -70 до 450

Для несварных узлов арматуры,эксплуатируемой в макроклиматическом районе с холодным климатом

________________________________________________________________________________________________________________________

Условия применения стали 20ХН3А для крепежных деталей арматуры (ГОСТ 33260-2015)

Стандарт или ТУ на материал	Параметры применения
	Болты, шпильки, винты		Гайки		Плоские шайбы
	Температура среды, ºС	Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм²)	Температура среды, ºС	Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм²)	Температура среды, ºС	Давление номинальное РN, МПа (кгс/cм²)
ГОСТ 4543	От -70 до 425	Не регламентируется	От -70 до 425	Не регламентируется	От -70 до 450	Не регламентируется

________________________________________________________________________________________________________________________

Применение стали 20ХН3А для шпинделей и штоков (ГОСТ 33260-2015)

НД на поставку	Температура рабочей среды (стенки), °С	Дополнительные указания по применению
Сортовой прокат ГОСТ 4543, ГОСТ 1051	От -70 до 450	Применяется для арматуры, эксплуатируемой в макроклиматическом районе с холодным климатом, после улучшающей термообработки (закалка и высокий отпуск)

________________________________________________________________________________________________________________________

Твердость стали 20ХН3А по Бринелю

Марка стали	Твердость в отожженном или отпущенном состоянии, НВ
Марка стали	Диаметр отпечатка в мм, не менее	Число твердости, не более
20ХНЗА	3,9	241

________________________________________________________________________________________________________________________

Механические свойства

Источник	Состояние поставки	Сечение, мм	КП	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см²	Твердость HB, не более
Источник	Состояние поставки	Сечение, мм	КП	не менее					Твердость HB, не более
ГОСТ 4543-71	Пруток. Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 500 °С, охл. в воде или масле	15	—	735	930	12	55	108	—
ГОСТ 8479-70	Поковка. Закалка+отпуск	До 100	590 685	590 685	735 835	14 13	45 42	59 59	235-277 262-311
	Цементация при 920-950 °С; нормализация при 870-890 °С, охл. на воздухе^1; отпуск при 630-660°С, охл. на воздухе^2; закалка с 790-810°С в масле; отпуск при 180-200°С, охл. на воздухе	100	—	690	830	11	50	69	240^2 HRC_э 57-63^3

________________________________________________________________________________________________________________________

Механические свойства в зависимости от сечения

Сечение, мм	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см²	Твердость HRC_э поверхности
Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С, охл. на воздухе
5	1220	1420	12	55	86	44
15	1180	1370	13	65	76	44
20	1080	1270	13	65	89	44
Закалка с 880 °С в масле; отпуск при 600 °С, охл. на воздухе
30	700	800	20	70	167	—
50	610	730	19	71	167	—
80	580	700	23	68	167	—
220	510	660	14	51	167	—
220^*1	570	690	23	67	157	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Механические свойства в зависимости от температуры отпуска

t_отп, °С	σ_0,2, МПа	σ_в, МПа	δ₅, %	ψ, %	KCU, Дж/см²	Твердость HRC_э
200	1270	1510	15	60	73	43
300	1260	1370	12	62	54	42
400	1180	1260	13	64	59	39
500	960	1000	19	66	83	32
600	720	780	24	73	162	22

________________________________________________________________________________________________________________________

Механические свойства металлопродукции (ГОСТ 4543-2016)

Режим термической обработки					Механические свойства, не менее					Размер сечения заготовок для термической обработки (диаметр круга или сторона квадрата), мм
Закалка			Отпуск		Предел текучести σ_τ, Н/мм²	Временное сопротивление σ_δ, Н/мм²	Относительное		Ударная вязкость KCU, Дж/см²
Температура,°С		Среда охлаждения	Температура,°С	Среда охлаждения			Удлинение, δ₅,%	Cужение, ψ,%
1-й закалки или нормализации	2-й закалки
820	—	Масло	500	Вода или масло	735	930	12	55	108	15

________________________________________________________________________________________________________________________

Предел выносливости при n=10

Термообработка	σ_-1, МПа	τ_-1, МПа
Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 200 °С; σ_в = 960 МПа	382	—
Закалка с 820 °С в масле; отпуск при 500 °С; σ_в = 730 МПа	338	225
Закалка с 800 °С в масле; отпуск при 500 °С;σ_в = 940 МПа	421	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Ударная вязкость прутков KCU

Сечение заготовки, мм	Термообработка	KCU, Дж/см² при температуре, °С
Сечение заготовки, мм	Термообработка	+20	-20	-40	-50(-60)
10	Закалка с 850 °С в масле; отпуск при 200 °С	86	—	85	64
30	Закалка с 880 °С в масле; отпуск при 560 °С	167	—	69	64
50	То же	167	—	83	73
80	<<-<<	167		69	—
100	Нормализация при 860°С, охл. на воздухе Закалка с 810°С в масле; отпуск при 600°С	196	122	100	(86)
220	Закалка с 880°С в масле; отпуск при 630°С	167	—	118	78

________________________________________________________________________________________________________________________

Критический диаметр d

Количество мартенсита, %	Критическая твердость HRC_э	d, мм, после закалки
Количество мартенсита, %	Критическая твердость HRC_э	в воде	в масле
50	32-37	70-96	44-62
90	39-44	42-64	20-38

________________________________________________________________________________________________________________________

Плотность ρ_п кг/см³ при температуре испытаний, °С

Сталь	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
20ХН3А	7850	7830	—	7760	—	—	7660	—	—	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Коэффициент линейного расширения α*10⁶, К^-1

Марка стали	α*10⁶, К^-1 при температуре испытаний, °С
Марка стали	20-100	20-200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800
20ХН3А	11,5	11,7	12,0	12,6	12,8	13,2	13,6	11,2

________________________________________________________________________________________________________________________

Удельная теплоемкость c, Дж/(кг*К)

Марка стали	c, Дж/(кг*К), при температуре испытаний, °С
Марка стали	20-100	20-200	20-300	20-400	20-500	20-600	20-700	20-800	20-900	20-1000
20ХН3А	494	507	523	536	565	586	624	703	—	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Коэффициент теплопроводности λ Вт/(м*К)

Марка Стали	λ Вт/(м*К), при температуре испытаний, °С
Марка Стали	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
20ХН3А	36	35	34	33	33	31	31	30	28	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Удельное электросопротивление ρ нОм*м

Марка стали	ρ нОм*м, при температуре испытаний, °С
Марка стали	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
20ХН3А	270	300	350	450	550	650	—	—	—	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Модуль Юнга (нормальной упругости) Е, ГПа

Марка Стали	При температуре испытаний, °С
Марка Стали	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
20ХН3А	212	204	194	188	169	169	153	138	132	—

________________________________________________________________________________________________________________________

Модуль упругости при сдвиге на кручение G, ГПа

Марка стали	При температуре испытаний, °С
Марка стали	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
20ХН3А	83	80	76	70	68	66	59	53	51	—