Что такое низкоуглеродистая сталь: состав, свойства и особенности

Низкоуглеродистая сталь (иногда называемая «мягкой» или обычной углеродистой сталью), как следует из формулировки, отличается невысоким содержанием углерода (обычно до 0,25%, по другим данным – до 0,3%). Благодаря низкому содержанию C такие стали имеют высокую пластичность и хорошую свариваемость, легко формуются и штампуются. 

 В марках ГОСТ это, например, стали серии «Ст» (Ст3, Ст5) и «08», «10», «15», «20» (число показывает сотые доли %C), а также низколегированные «09Г2С» и подобные. Зарубежные аналоги – конструкционные стали S235JR (EN 10025) и A36 (ASTM) с пределом текучести около 235–250 МПа. 

Химический состав и структура

В химическом составе низкоуглеродистой стали углерод – главный легирующий элемент, но его мало (обычно 0,05–0,25%). Дополнительные примеси: марганец (Mn), кремний (Si) – для раскисления стали и повышения прочности (например, Mn до ~1%, Si до 0,3–0,5%). Сера (S) и фосфор (P) в таких сталях поддерживаются на минимально допустимом уровне (~0,04–0,05%) – их избыток снижает пластичность. При большом раскислении (спокойная сталь) вводятся алюминий или кремний, чтобы сталь не кипела (не выделяла газы) при затвердевании. 

 Таким образом, низкоуглеродистую сталь можно получить в кипящем (КП), полуспокойном (ПС) и спокойном (СП) состояниях, в каждом случае количество газовых включений и однородность структуры будут различаться.

 Микроструктура низкоуглеродистой стали – в основном ферритно-перлитная: при нормализации или медленном охлаждении из аустенита образуется смесь α-феррита (белые зёрна) и перлита (чередующиеся ламели феррита и цементита). В очень бедном углероде стали (≈0,02% C) структура почти полностью ферритная; при повышении C до эвтектоидного (~0,8%) появляется больше перлита. Феррит обладает ОЦК-решёткой и обеспечивает пластичность, перлит – несколько повышает прочность.

 Плотность низкоуглеродистой стали близка к чистому железу – примерно 7,85 г/см³ (7850 кг/м³). Небольшие добавки марганца и кремния чуть снижают относительную плотность по сравнению с углеродистой сталью без легирования, но разница незначительна. Удельный вес стали около 7,7–7,9 г/см³.

Свойства низкоуглеродистых сталей

Теперь поговорим о наиболее важных характеристиках такого материала, которые определяют сферу его применения.

Механические свойства

Низкоуглеродистые стали относительно мягкие и пластичные. Типичные значения прочностных характеристик: 

• Предел текучести σ₀,₂ порядка 200–300 МПа
• Временное сопротивление разрыву σв – около 370–500 МПа
• Относительное удлинение после разрыва часто достигает 20–30%, у некоторых холоднокатаных сплавов – ещё выше. 

К примеру, конструкционная сталь Ст3 (≈0,20% C) имеет σ₀,₂ ~245 МПа, σв ~370–490 МПа, δ ~23–26% (разного проката). Аналогично, марка EN S235JR: σ₀,₂ = 235 МПа, σв 360–510 МПа, δ ≥26%. Твердость по Бринеллю у таких сталей невысока – порядка 100–150 HB (около 80–140 HBW), что обеспечивает лёгкость обработки резанием и гибки.

Технологические свойства

Благодаря высокой пластичности и «мягкости» такие стали легко поддаются холодной и горячей деформации: их хорошо штампуют, гнут, катают и тянут.
Свариваемость низкоуглеродистых сталей отличная – соединения плавлением (дуговая сварка, сварка порошковой проволокой, газовая) проводят без особых проблем, почти без предварительного подогрева. 

 Как отмечается в практике, сварной шов из низкоуглеродистой стали может слегка обедняться по углероду (его доля в шве обычно ниже, чем в основном металле) и обогащаться марганцем и кремнием, но это заметно не снижает качества соединения. 

 Для дуговой сварки обычно используют рутиловые или щёлочные электроды (например, марки Э46 с покрытием из кальциево-фтористых и рутиловых компонентов) либо проволоку марки Св-08А для кипящих сталей. Режимы сварки низкоуглеродистых сталей стандартны – они не склонны к образованию горячих трещин или заусенцев, поэтому их чаще всего сваривают «как есть», без специальных мер.

 Обрабатываемость резанием у «мягкой» стали тоже высокая. Вместе с тем нередко наблюдается налипание мелких стружечных наростов на режущую кромку, особенно при медленной скорости резания. Чтобы избежать этого, рекомендуют увеличивать скорость резания и правильно подбирать подачу. Охлаждение применяют по мере необходимости (например, при сверлении и фрезеровании) для улучшения отвода тепла и дробления стружки. В целом низкоуглеродистые стали обрабатываются быстрее и легче, чем закалённые или нержавеющие – с использованием обычных инструментов из быстрорежущей стали и стандартной СОЖ.

Коррозионная стойкость

Углеродистая сталь практически не обладает собственной коррозионной стойкостью. Без защитного покрытия она быстро ржавеет во влажной атмосфере. Поэтому изделия из низкоуглеродистой стали обычно защищают – красят, наносят лакокрасочные покрытия, гальванизируют или окаливают в промышленности. Например, строительные конструкции и наружные коммуникации часто покрывают горячим цинком или полимерными составами. При выборе марки необходимо учитывать, что без обработки и покрытия эта сталь годится лишь для сухих или неагрессивных сред.

Марка стали	σ0.2 (МПа)	σв (МПа)	δ5, %	Твердость (HB)
Ст3сп (ГОСТ 380)	~245	370–490	23–26	~120
S235JR (EN 10025)	235	360–510	≥26	~120
A36 (ASTM A36)	250	400–550	≥20	~120
DC01 (ISO 10130)	~210	270–350	≥28	~90

Виды и маркировка низкоуглеродистой стали

По назначению и технологическим свойствам низкоуглеродистые стали бывают разными. Основные группы по применению:

• Конструкционные стали – используются в строительстве и машиностроении (балки, швеллеры, арматура, каркасы). Примеры марок: Ст3 (σ0.2≈245 МПа), Ст5 (σ0.2≈290 МПа) и их аналоги. Эти стали обычно имеют хорошую свариваемость и пластичность.
• Стали для холодной штамповки/глубокой вытяжки – особо чистые листовые стали малой толщины (марки типа 08пс, 10, 20). Они имеют очень низкое содержание углерода (например, «08» = 0,08% С) и лишены крупных примесей для лучшей формуемости.
• Трубные стали – низколегированные низкоуглеродистые марки с особыми требованиями к прочности труб (например, 09Г2С для сварных труб). Содержание углерода у них остается низким, но добавлен марганец для прочности.
• Судосталь – специальные стали низкого легирования для судостроения (с пониженным содержанием серы и фосфора, повышенной стойкостью к трещинообразованию), но по углероду они обычно относятся к низкоуглеродистым.
• Другие: штампованные детали, рельсы, метизы, холодно- и горячекатаные рулоны и листы – практически все они делаются из низкоуглеродистых марок.

По способу раскисления стали делятся на кипящие, полуспокойные и спокойные. Кипящая сталь недостаточно раскислена: при кристаллизации в ней выделяется много газов («кипит»), поэтому в металле могут оставаться поры. Полуспокойная содержит умеренное количество газов, спокойная (прокалённая) – практически без газовых включений (заводят алюминий или кремний для полного обезуглероживания). Кипящая сталь дешевле, но менее однородная; спокойная дороже, но обеспечивает равномерную прочность по сечению.

 По российским стандартам традиционные марки низкоуглеродистой стали имеют букву «Ст» или цифровые обозначения содержания углерода. Например, Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп (спокойная, полуспокойная, кипящая конструкционная сталь). Марки с цифрами, как 08пс, 10, 20ГС и т.д., указывают на доли %C (0,08; 0,10; 0,20% и т.д.), а буквы «Г» и «С» – на легирование марганцем и технологические характеристики (качество прокатки, содержание примесей, степень раскисления).

 Зарубежные примеры низкоуглеродистых сталей: европейская S235JR (аналог примерно Ст3) и S275JR (чуть более прочная); американская A36 (аналог S235, σ0.2=250 МПа) и A572 Gr50 (легированная конструкционная с небольшим GeMn). Для ориентировки можно указать соответствия: например, Ст3сп ≈ S235JR ≈ A36 (все это мягкие конструкционные стали), 09Г2С ≈ A572 Gr50 (легированная сталь, часто для труб и судостроения). Российские ГОСТ и международные стандарты не совпадают точно, поэтому окончательный выбор марки делается по требованиям проекта и наличию в продаже.

Обработка низкоуглеродистой стали

Термическая обработка

Низкоуглеродистые стали обычно подвергают отжигу и нормализации для снятия внутренних напряжений и придания однородной ферритно-перлитной структуры. Из-за малого содержания углерода закалка (быстрое охлаждение до твердого состояния) практически не увеличивает их твердость, поэтому такие стали называют «незакаливаемыми». Иногда проводят рекристаллизационный отжиг, если после холодной деформации требуется смягчить металл. Общее правило: нельзя существенно повысить прочность только нагревом без легирования, поэтому для упрочнения применяют другие методы.

Химико-термическая обработка

Для повышения поверхностной твердости (износостойкости) низкоуглеродистые стали подвергают цементации или азотированию. Цементация – насыщение поверхностного слоя углеродом в печи, после которого деталь закаляют (обычно маслом). В результате по поверхности образуется твердая карбидная зона (до ~600–800 HB), а сердцевина остается пластичной. Это используется для зубчатых колёс, валов, кузнечных изделий, где нужны прочная поверхность и вязкое ядро. Азотирование (или нитроцементация) – насыщение поверхности азотом (в газовой среде при ~500–550 °C), даёт умеренное повышение твердости (до ~900 HV) без закалки. Нитроцементация применяют для небольших деталей типа муфт, втулок, пружин, требующих высокой износостойкости без деформации.

Обработка давлением

Благодаря пластичности низкоуглеродистые стали отлично прокатываются и штампуются. Их легко гнуть, вытягивать, штамповать холодным или горячим способом. Ограничения возникают только при экстремальных деформациях: при очень больших изгибах или глубоком вытяжении возможно появление трещин. Для холодной штамповки обычно применяются самые «чистые» марки (08, 10 и т.д.), которые гарантирую высокую однообразность и отсутствие дефектов. Горячая прокатка (слябы, лист) и поковка тоже широко используются – металл куется и прокатывается при высоких температурах, что ещё больше улучшает его однородность.

Сварка и резка

Низкоуглеродистые стали легко свариваются всеми распространёнными методами (ручная и полуавтоматы под флюсом или защитными газами, газовая сварка). Как правило, не требуется предварительный подогрев (кроме очень толстых деталей) и сложные режимы. Для дуговой сварки используют электроды с низким водородным содержанием или проволоку того же состава (например, Св-08А). При сварке стыкуются части так же, как и нержавейку, но без необходимости в аргоно-диоксидной защите. Резка (кислородно-ацетиленовая, плазменная или лазерная) выполняется стандартно – углеродистая сталь легко режется горелкой, оставляя чистый ровный край. Особое внимание при резке уделяют скорости, чтобы избежать сильного плавления по краю, но это обычные практики газореза.

Механическая обработка

Резание, сверление и фрезерование низкоуглеродистых сталей проходят без особых затруднений. Из-за низкой твердости и большого объёма стружки технология простая: применяют обычные инструменты из HSS или твердого сплава. Как уже отмечалось, во избежание налипания металла на нож рекомендуется увеличить скорость резания и использовать СОЖ. Профильные резцы, дисковые пилы и др. при работе нужно охлаждать по мере необходимости. В целом низкоуглеродистая сталь считается легкообрабатываемым материалом: она хорошо режется любыми инструментами и не требует специальных приёмов (в отличие от, скажем, нержавейки или легированных сплавов).

Конструкции из низкоуглеродистой стали и назначение

Низкоуглеродистые стали – основной материал для многих металлоконструкций и узлов. Из них делают сооружения и каркасы в строительстве (балки, колонны, фермы, арматура), корпуса резервуаров и силосов, трубопроводы низкого давления (водопроводы, топливные линии, паропроводы), элементы кузовов и шасси в машиностроении и автопроме, а также многие детали бытовой техники (гладкие листы, корпуса машин). Благодаря хорошей свариваемости и формуемости эти стали подходят для серийных массовых изделий – строительных деталей, гаражей, ангаров, мостов, железнодорожных вагонов (рама), тяжёлой сельхозтехники (рамы тракторов и комбайнов) и пр.

 Низкоуглеродистая сталь широко применяется в машиностроении там, где не требуется очень высокая прочность. Например, из неё делают корпусные детали насосов и компрессоров, каркасы станков, различные направляющие и штампованные элементы. В автомобильной и транспортной отраслях из низкоуглеродистой стали делают кузовные панели, усилители, рамы прицепов, элементы подвески – везде, где важна экономичность и пластичность материала. В строительстве это главная конструкционная сталь: арматурные каркасы, железобетонные блоки, мостовые балки часто изготавливают из стандартной «Ст3» или ее аналогов.

 Ограничения применения: 

• Низкоуглеродистые стали не годятся для ситуаций с очень высокими нагрузками, высокими температурами или агрессивными средами. Их предел текучести ограничен (обычно ≤350 МПа), поэтому для сильно нагруженных частей (например, пружин, режущих инструментов, подвесок) используют сталь с более высоким содержанием углерода или легированную. 
• При температуре эксплуатации свыше 300–400 °C углеродистая сталь быстро теряет прочность и окисляется, поэтому в таких случаях требуются жаростойкие сплавы. 
• Химически агрессивная среда (морская вода, кислоты, щёлочи) разрушает углеродистую сталь коррозией. В подобных условиях применяют специальные покрытия или вообще переходят на нержавеющие и коррозионностойкие сплавы. 

Таким образом, низкоуглеродистая сталь – хороший выбор для обычных условий (сухой или умеренно влажной атмосферы, умеренные температуры, статические и динамические нагрузки), когда важны цена и технологичность; для экстремальных условий её зачастую заменяют более прочными или стойкими материалами.

Сравнение с нержавеющими сталями

Низкоуглеродистая сталь, как уже было сказано выше, не относится к нержавеющим разновидностям. И вот почему:

• Химический состав и коррозионная стойкость
  Главные различия – в легирующих добавках. Нержавеющие стали содержат не менее ~10–13% хрома (часто также никель, молибден и другие элементы), из-за чего на их поверхности образуется тонкая пассивная плёнка Cr₂O₃. Это даёт высокую коррозионную стойкость и устойчивость к ржавчине. Низкоуглеродистые же стали почти не имеют легирующих элементов, поэтому мгновенно корродируют на воздухе и во влажной среде. Иными словами, нержавеющая сталь – это легированная углеродистая сталь с хромом ≥10%, а низкоуглеродистая – простая сталь без этих добавок. Из-за этого сфера применения отличается: там, где нужна постоянная защита от коррозии (технологические установки пищевой и химической промышленности, морские конструкции, медицинские приборы), выбирают нержавеющие марки. Если же условия обычные (строительство, транспорт, сухие помещения), то достаточно черной низкоуглеродистой стали с антикоррозионными покрытиями.
• Технология обработки и стоимость
  Низкоуглеродистые стали значительно дешевле в производстве, прокате и обработке. Они легко формуются, свариваются и обрабатываются любыми инструментами. Нержавеющая сталь дороже в закупке и требует более сложных режимов обработки: при сварке нужно тщательно подбирать присадочные материалы и защищать шов (во избежание хрупкой структуры), при механической обработке материал «лезет» и закаляется под резцом (особенно аустенитные марки). Цена нержавейки в несколько раз выше из-за дорогого легирования. Таким образом, для непредъявляющих высоких требований к стойкости, когда важно снизить стоимость, чаще используют низкоуглеродистую сталь, а нержавейку – там, где оправдана её долговечность (например, на оборудовании пищевого производства или в архитектуре).
• Когда что выбрать
  Если в конструкции не требуется повышенная коррозионная стойкость и температурная или химическая устойчивость, предпочтительней низкоуглеродистая сталь с соответствующей защитой (оцинковка, краска). Например, кровельные фермы, общестроительные конструкции, рамы машин – это типичные задачи для неё. Когда материал будет постоянно контактировать с агрессивной средой, влажностью или пищевыми продуктами, лучше сразу взять нержавеющую марку. Примеры: уличные ограждения, морское оборудование, оборудование для пищевых производств – нержавейка. А каркас здания, резервуар под масло, корпус трансформатора – достаточно оцинкованной углеродистой стали. Суммируя: низкоуглеродистая сталь – это не нержавейка, она служит для недорогих массовых конструкций, а нержавеющая – для условий повышенной стойкости к ржавчине и температуре.

Практические рекомендации по выбору марки

Чтобы грамотно выбрать низкоуглеродистую марку стали для конкретной конструкции, рекомендуем придерживаться простого алгоритма:

1. Характер нагрузок
   Оцените, какие усилия будет испытывать деталь (статические или динамические, удары, напряжения). Выберите марку с необходимым минимальным пределом текучести. Например, для ответственных рам и балок нужен σ0.2 выше определённой величины (обычно ≥235–300 МПа). Если нагрузки умеренные, можно ограничиться стандартной Ст3 или S235JR.
2. Условия среды
   Проанализируйте, в какой среде будет работать изделие: влажность, агрессивные вещества, температура. Для повышенной коррозии предусмотрите защитное покрытие (цинк, краска) или рассмотрите другие стали. В нормальных условиях – обычная углеродистая. При повышенной температуре (свыше ~300–400 °C) обычно нужна нержавейка или жаростойкие сплавы, так как углеродистая сталь быстро теряет свойства.
3. Технологичность обработки
   Учитывайте, как будете изготавливать деталь. Низкоуглеродистую сталь обычно легко гнуть, её сваривают без специальных режимов, штампуют и прокатывают. Если конструкция предполагает холодную деформацию или сложную сварку, выбирайте наиболее чистую и пластичную марку (например, Ст3сп, 08). Убедитесь, что выбранная марка подходит под доступные процессы (например, есть ли в продаже лист нужной толщины или профиль нужного сечения).
4. Наличие проката и сроки поставки
   Проверьте, какие марки и размеры металлопроката реально доступны у поставщиков. Стандартные стали (Ст3, 08, 10, S235JR, A36 и т.д.) представлены повсеместно. Для нестандартных марок сроки могут быть велики, что влияет на выбор.
5. Экономичность
   Сравните стоимость стали и требуемых операций. Низкоуглеродистая сталь сама по себе дешева, но при необходимости покрытия или антикоррозионной обработки учтите эти затраты. Иногда для небольших партий более выгодно взять тонкий лист из коррозионностойкой стали. Старайтесь минимизировать переплаты за избыточную прочность или легирование, если конструкция этого не требует.

Низкоуглеродистая сталь – это простая углеродистая сталь с малым содержанием C (обычно до 0,25–0,3%). Она характеризуется хорошей пластичностью и свариваемостью, средней прочностью (σ0.2 около 200–300 МПа) и невысокой твердостью (~100–150 HB). Химический состав включает главным образом Fe–C, с небольшими добавками Mn и Si, а примеси S, P строго контролируются. Такая сталь имеет феррито-перлитную структуру и плотность около 7,85 г/см³.

 Ключевые свойства низкоуглеродистых сталей – это пластичность, доступность и технологичность. Они легко обрабатываются давлением (прокат, штамповка), резанием и сваркой. В то же время они плохо сопротивляются коррозии и чувствительны к высоким температурам. Основное назначение – конструкции общего назначения: каркасы зданий, балки, профили, корпуса резервуаров, кузова и шасси автомобилей, трубопроводы, листовые изделия. Низкоуглеродистые стали эффективны там, где требуются массовое производство и простота изготовления.

В каталоге на сайте СПб Металл  вы можете ознакомиться с ассортиментом стали и сплавов разных марок, в том числе и низкоуглеродистой. Наша продукция применяется для самых ответственных задач, где важны высокая прочность, износостойкость и другие характеристики. Если вам потребуется консультация, вы всегда можете обратиться к нашим специалистам по телефону или с помощью форм обратной связи на сайте.