Что такое среднеуглеродистая сталь: состав, свойства и особенности

Среднеуглеродистая сталь – это разновидность стали с умеренным содержанием углерода (примерно от 0,25% до 0,6%). По этому показателю она занимает промежуточное положение между низкоуглеродистыми (мягкими) и высокоуглеродистыми сталями. Благодаря среднему количеству углерода такие стали сочетают в себе повышенную прочность по сравнению с мягкими сталями и в то же время сохраняют лучшую пластичность и технологичность, чем очень высокоуглеродистые сплавы. Среднеуглеродистые марки широко применяются в машиностроении и строительстве, предлагая баланс свойств для деталей, работающих под значительными нагрузками.

Какие стали относятся к среднеуглеродистым?

Главным критерием отнесения стали к среднеуглеродистой является процент углерода в ее составе. Как правило, к этой категории относят стали, содержащие около 0,3–0,6% C по массе. Точные границы могут немного различаться в разных классификациях: так, некоторые стандарты называют среднеуглеродистыми стали с диапазоном 0,25–0,55% C, другие – до 0,6% C. В любом случае, содержание углерода у них больше, чем у мягких низкоуглеродистых сталей (менее ~0,25% C), но существенно меньше, чем у высокоуглеродистых (0,7–1% и выше).

 Помимо углерода, такие стали содержат железо (основу сплава) и небольшие количества сопутствующих примесей. В обычных углеродистых (нелегированных) среднеуглеродистых сталях присутствуют: марганец (до ~1%) и кремний (около 0,4% или чуть меньше) – эти элементы специально вводятся при выплавке для раскисления стали и улучшения ее свойств. Также всегда есть нежелательные примеси – сера и фосфор (как правило, не более 0,04–0,05%), которые попадают из руды и топлива и снижают пластичность металла. 

 Другие элементы (хром, никель, медь, ванадий, молибден и др.) могут присутствовать лишь в следовых количествах. Если же в сталь намеренно добавляют значимые доли таких элементов для улучшения характеристик, материал уже классифицируется как легированная сталь. 

 Таким образом, среднеуглеродистые стали бывают как нелегированными (углеродистыми), так и легированными – последние содержат помимо углерода специальные компоненты (Cr, Ni, Mn, Si, Mo и т.д.) в суммарном количестве обычно до 3–5%. Легирование позволяет повысить прочность, прокаливаемость, износостойкость и другие свойства, однако увеличивает стоимость стали.

 По своему назначению большинство среднеуглеродистых сталей относятся к конструкционным. Их используют для изготовления несущих и движущихся частей машин, механизмов и конструкций. В отечественной терминологии качественные конструкционные стали с 0,3–0,6% C нередко называют «улучшаемыми», так как для достижения оптимальных свойств их подвергают закалке и отпуску (то есть улучшают термической обработкой). Стали среднего уровня углерода обычно выпускаются массово в большом ассортименте профилей, поэтому доступны по цене и популярны в промышленности.

Содержание углерода и его влияние на свойства

Сколько углерода содержится в среднеуглеродистой стали? Как отмечалось, диапазон составляет примерно от 0,3% до 0,6%. Например, сталь с 0,4% C уже считается среднеуглеродистой, тогда как 0,1% C – это низкоуглеродистая мягкая сталь, а 0,8% C – высокоуглеродистая. Такое умеренное содержание существенно влияет на структуру и свойства сплава. 

Именно углерод является главным упрочняющим элементом в стали, обеспечивая следующие характеристики:

• Прочность и твердость
  С повышением доли углерода металл становится прочнее и тверже. Среднеуглеродистые стали заметно крепче, чем низкоуглеродистые: предел текучести у них обычно порядка 300–500 МПа, а временное сопротивление разрыву – 500–800 МПа (в зависимости от конкретной марки и обработки). Для сравнения, у мягкой стали с низким C прочность может не превышать 400–450 МПа. Твердость среднеуглеродистой стали в исходном состоянии составляет около 170–220 HB по Бринеллю (примерно 85–95 единиц по шкале Роквелла B). После термообработки (закалки) эти стали способны достичь значительно большей твердости – вплоть до ~50 HRC (500 HB) в закаленном состоянии. Таким образом, по прочностным показателям средний уровень углерода обеспечивает заметное преимущество перед мягкими сталями.
• Пластичность и вязкость
  Обратной стороной роста прочности является снижение пластичности. Металл с 0,4–0,5% C менее вязок и хуже гнется без разрушения, чем металл с 0,1% C. Среднеуглеродистая сталь более хрупкая, чем низкоуглеродистая: относительное удлинение и сужение при разрыве у нее ниже. Тем не менее пластичность остается на приемлемом уровне – детали из такой стали способны воспринимать умеренные ударные нагрузки и деформироваться до некоторой степени. Обычно рекомендуют избегать резких ударов и перегрузок, особенно на закаленных среднеуглеродистых деталях (они чувствительны к ударам и могут дать трещину без должного отпуска). В отсутствии динамических нагрузок среднеуглеродистая сталь работает надежно, а при необходимости повышения ударной вязкости применяют специальные легированные марки (например, с никелем, хромом, молибденом), которые сохраняют прочность при низких температурах и ударных воздействиях лучше, чем чисто углеродистые аналоги.
• Свариваемость
  Увеличение содержания углерода негативно сказывается на способности стали к сварке. Свариваемость среднеуглеродистых сталей считается средней или неудовлетворительной – при обычной сварке без подготовки они склонны к образованию трещин в зоне шва. Практика показывает, что уже при содержании C > ~0,3% существенно возрастает риск холодных трещин и закалочных структур в околошовной зоне. Поэтому при сварочных работах со среднеуглеродистыми сталями применяют специальные меры: предварительный подогрев деталей (обычно до +200…300 °C) перед сваркой и поддержание температуры во время процесса, использование присадочных материалов с пониженным углеродом, сварка короткими швами с проковкой шва, замедленное охлаждение после сварки. Эти меры позволяют снизить долю углерода в самом шве и предотвратить образование закаленных хрупких структур. Кроме того, после сварки среднеуглеродистые стали желательно подвергать отпуску (термообработке) для снятия напряжений. В целом, сваривать такие стали можно, но процесс более сложный, чем для низкоуглеродистых мягких сталей, и требует квалификации.
• Обрабатываемость и формовка
  Среднее содержание углерода несколько ухудшает обрабатываемость резанием по сравнению с мягкими сталями, но в целом эти сплавы достаточно хорошо поддаются механической обработке. В отожженном или нормализованном состоянии среднеуглеродистая сталь режется, сверлится и точится без чрезмерного износа инструмента. Для улучшения обрабатываемости в некоторые марки специально вводят легирующие добавки: например, свинец (Pb) благоприятно влияет на резание, сера в контролируемом количестве образует включения сульфидов и облегчает процесс резания стружки. Что касается обработки давлением, то в холодном состоянии пластичность таких сталей ограничена. Сложные детали из среднеуглеродистого проката обычно не штампуют холодным методом – велик риск трещин. Однако при разогреве заготовки до ~700–800 °C пластичность резко увеличивается, и горячая штамповка, ковка, прокатка выполняются без проблем. Поэтому изготовление поковок, горячих профилей и иных заготовок из этой стали широко практикуется. Деформационное упрочнение холодной прокаткой или обжатием для среднеуглеродистых марок используется редко, так как металл быстро теряет пластичность и его трудно значительно упрочнить холодом – предпочтительнее термообработка.
• Прокаливаемость и термообработка
  Среднее содержание углерода позволяет проводить закалку стали – это ключевое отличие от низкоуглеродистых сплавов, которые почти не закаливаются (из-за недостатка углерода не формируется твердый мартенсит). Среднеуглеродистая сталь при нагреве до ~780–850 °C и последующем резком охлаждении способна переходить в мартенситное (твердое) состояние. Однако прокаливаемость – то есть глубина, на которую заготовка прокаливается при закалке – у нелегированных марок невысока. Без специальных добавок (например, хрома, марганца, молибдена) закалить крупную деталь целиком трудно: только поверхностные слои станут мартенситными, а сердцевина большой детали может остаться ферритно-перлитной (менее твердой). Поэтому для толстых и ответственных изделий часто используют легированные среднеуглеродистые стали – их состав (Cr, Mn, Mo и др.) повышает прокаливаемость, позволяя получать однородно закаленную структуру в более массивных сечениях. Тем не менее, даже обычная сталь с ~0,4% C прекрасно закаливается в деталях небольшого и среднего размера, особенно при охлаждении в воде (иногда применяют водно-масляные эмульсии или масло для смягчения закалочных напряжений). После закалки обязательно проводится отпуск – нагрев до умеренной температуры (например, 400–600 °C) с выдержкой, чтобы снять закалочные напряжения и повысить ударную вязкость. Закалка с последующим отпуском (так называемое улучшение) заметно повышает прочность: например, сталь 45 (0,45% C) в улучшенном состоянии может иметь прочность порядка 800–900 МПа при удовлетворительной пластичности, тогда как без термообработки ее прочность ~600 МПа. Также к среднеуглеродистым сталям часто применяют нормализацию – нагрев чуть выше критической точки и охлаждение на воздухе – для измельчения зерна и улучшения структуры после литья или ковки. В мягком состоянии (после отжига) их твердость снижается, что облегчает последующую обработку резанием. Кроме объемной закалки, возможны методы поверхностного упрочнения: некоторые среднеуглеродистые стали (например, 45, 40Х) хорошо поддаются индукционной закалке или цементации поверхности, что позволяет получить твердый износостойкий слой на более вязкой основе детали.

Резюмируя влияние углерода: 0,3–0,6% C – это компромиссное содержание, при котором сталь получает идеальный баланс свойств между крайними случаями. Она достаточно прочная, может быть закалена, чтобы еще больше повысить твердость, и при этом сохраняет технологичность – ее можно обрабатывать станками, ковать, (с оговорками) сваривать. Именно поэтому среднеуглеродистые стали так широко востребованы в производстве нагруженных узлов и деталей.

Марки среднеуглеродистой стали

В отечественной маркировке качественных конструкционных углеродистых сталей название обычно состоит из слова «сталь» и числа, указывающего сотые доли процента углерода. Например, Сталь 45 содержит приблизительно 0,45% C, Сталь 35 – около 0,35% C, Сталь 50 – 0,5% C и т.д. Отсутствие буквенных индексов означает нормальное содержание марганца (до ~0,8%) и кремния (до ~0,4%) и спокойную выплавку (сплав полностью раскислен). Если после числа стоит буква Г, это обозначает повышенный марганец (например, 50Г имеет ~0,5% C и 0,8–1,0% Mn, такая сталь применяется для рессор и пружин). Суффиксы «кп/пс/сп» у марки указывают степень раскисления: кипящая, полуспокойная или спокойная сталь. Также существуют легированные марки, в обозначении которых после цифры добавлены буквы элементов и их процент (например, 40Х – 0,4% C + ~1% хрома, 45ХН – 0,45% C + хром и никель, и т.п.).

 Рассмотрим несколько популярных марок среднеуглеродистой стали и их свойства:

• Сталь 40 (0,38–0,43% C)
  Нелегированная углеродистая сталь с относительно невысоким содержанием углерода. Отличается хорошей свариваемостью и достаточно высокой вязкостью. Обладает высокой износостойкостью для углеродистой стали и сохраняет прочность даже при пониженных температурах (благодаря невысокой хрупкости). Применяется для изготовления валов, гидравлических цилиндров, поршневых штоков, а также других деталей машин, где требуется сочетание прочности и возможности сварки/обработки.
• Сталь 45 (0,42–0,50% C)
  Самая распространенная марка нелегированной среднеуглеродистой стали в машиностроении. Обрабатывается резанием довольно уверенно – в отожженном состоянии поддается токарной и фрезерной обработке без трудностей. Свариваемость у стали 45 удовлетворительная: толстые детали из нее сложнее сварить без трещин, но тонкие и простые конструкции свариваются при соблюдении технологии (предпочтительно с подогревом и последующим отпуском). Эта сталь плохо противостоит коррозии (как и все углеродистые стали, она ржавеет без покрытия или смазки), поэтому детали из нее часто требуют защиты или смазывания в эксплуатации. После закалки и отпуска сталь 45 приобретает твердость ~HRC 45 и используется для зубчатых колес, валов, осей, шестерен, пальцев, шпинделей и иных деталей, испытывающих ударные и изгибные нагрузки. Если нужна повышенная долговечность в условиях трения, поверхности деталей из стали 45 подвергают цементации или индукционной закалке для создания твердого износостойкого слоя.
• Сталь 50 (0,47–0,55% C)
  Углеродистая сталь с повышенным (на верхней границе среднего диапазона) содержанием углерода. Благодаря этому обладает повышенной твердостью, однако пластичность заметно снижена, сталь становится более хрупкой. Свариваемость низкая – сталь 50 склонна к растрескиванию при сварке и обычно не применяется в сварных конструкциях. Ее используют, как правило, в термически обработанном состоянии (закалка + высокий отпуск) для деталей, где нужна твердость: например, штыри, оси, простые режущие инструменты, штамповый инструмент невысокой ответственности. Также сталь 50 может применяться для пружинных элементов в случаях, когда допустима некоторая хрупкость, либо для деталей, работающих только под статической нагрузкой.
• 40Х (0,36–0,44% C, 0,8–1,1% Cr)
  Это легированная среднеуглеродистая сталь – одна из самых популярных в России для нагруженных деталей. Добавка хрома повышает прочность, улучшает прокаливаемость (детали из 40Х можно закаливать в масле, получая прочную структуру даже в относительно толстых сечениях). Сталь 40Х в улучшенном состоянии имеет предел прочности ~900–1100 МПа и достаточную ударную вязкость, хорошо подвергается механической обработке до закалки. Применяется очень широко: валы карданные и шлицевые, шестерни, фланцы, муфты, шпильки и другие детали, работающие под переменными нагрузками. Зарубежными аналогами 40Х являются, например, американская AISI 5140 и европейская 41Cr4.
• 45Г (0,45% C, ~1,0% Mn)
  Марка среднеуглеродистой стали с повышенным содержанием марганца. Марганец повышает прочность и износостойкость, улучшает качество при литье (сталь получается плотной, без усадочных раковин). 45Г используется преимущественно для рессор и пружин, а также для толстых поковок, где требуется более глубокая закалка, чем у обычной углеродистой стали. После закалки и отпуска приобретает высокую упругость и прочность, способную выдерживать многократные циклы нагрузки (например, в рессорах автомобилей и вагонов).

Свойства и обработка среднеуглеродистых сталей

Рассмотрим основные характеристики данного типа стали.

Механические свойства

В ненагартованном и необработанном состоянии среднеуглеродистые стали имеют плотность ~7,85 г/см³, являются магнитными (ферромагнетик) и обладают теплопроводностью порядка 40–50 Вт/(м·K) при комнатной температуре. Типичные механические характеристики (на примере качественных конструкционных сталей): предел текучести около 300–400 МПа, предел прочности 600–700 МПа, относительное удлинение 15–20%, твердость ~180–220 HB. После термообработки показатели существенно изменяются: закалка повышает твердость до 50–55 HRC (до 500 HB), а отпуск снижает ее до рабочей ~30–40 HRC, одновременно увеличивая ударную вязкость. Легированные среднеуглеродистые стали могут демонстрировать еще более высокие прочностные свойства – например, хромоникелевая сталь 40ХН после улучшения выдерживает до 1000–1100 МПа. При низких температурах (ниже 0 °C) углеродистые стали становятся более хрупкими, однако среднеуглеродистые марки в отпущенном состоянии сохраняют приемлемую работоспособность до примерно –40 °C (ниже требуют специальных легированных вариантов или повышенного отпуска).

Технологические свойства

Среднеуглеродистые стали достаточно универсальны в обработке. Их можно сверлить, резать, фрезеровать стандартным инструментом – усилия резания выше, чем у мягкой стали, но вполне посильны для промышленного оборудования. Улучшение обрабатываемости достигается применением отжига перед механообработкой (уменьшает твердость) и использованием режущего инструмента из твердосплавных материалов с подачей охлаждающей смазки. При содержании серы ~0,08–0,3% среднеуглеродистая сталь превращается в автоматную (легкообрабатываемую резанием) – правда, такая сера снижает ударную вязкость, поэтому применима для мелких деталей. Кованость и прокатываемость этих сталей хорошие: оптимальный диапазон температур горячей обработки – 1150–800 °C, в этом интервале сталь пластична и не склонна к трещинам. Заканчивать ковку желательно выше ~750 °C, чтобы избежать закалочных структур при остывании крупных поковок (последующая нормализация часто необходима). Свариваемость, как упоминалось ранее, ограничена – без специальных мер возможны трещины. Тем не менее тонкие изделия (например, лист 4–6 мм с 0,3% C) при правильном подборе режима могут свариваться без дефектов. Если изделие требует обширной сварки, обычно выбирают либо сталь с более низким углеродом, либо применяют предварительный отжиг/сборку внахлест с последующим улучшением. Термообработка – ключевой этап для среднеуглеродистых сталей. Режимы зависят от марки, но в общем типичный процесс улучшения: нагрев до ~820–850 °C (для эвтектоидных сплавов чуть выше AC3), выдержка для полного превращения в аустенит, затем охлаждение (в воде для углеродистых сталей, в масле – для легированных) с получением мартенсита. Далее отпуск при 500–600 °C для снижения хрупкости. Возможно проведение двойного отпуска для снятия остаточных напряжений. Для некоторых легированных сталей применяется изотермическая закалка (баночный отпуск), чтобы получить нижний бейнит – это дает сочетание высокой прочности и вязкости без резкой закалки.

Коррозионная стойкость

Среднеуглеродистые стали не являются нержавеющими – они подвержены коррозии во влажной атмосфере практически так же, как и обычные стали. Из-за отсутствия специальных легирующих элементов (например, хрома > 12%) на поверхности не образуется защитная оксидная пленка, поэтому при контакте с водой и воздухом металл покрывается ржавчиной. Это необходимо учитывать: детали из таких сталей обычно либо эксплуатируются в масле/смазке, либо защищаются лакокрасочным покрытием, либо изготавливаются из коррозионностойких сплавов, если контакт с влагой неизбежен. В противном случае коррозия приводит к снижению долговечности и надежности изделий из среднеуглеродистой стали.

Применение среднеуглеродистых сталей

Благодаря сбалансированным свойствам, среднеуглеродистые стали нашли применение во многих областях промышленности. 

Перечислим основные сферы и примеры изделий:

• Детали машин и механизмов: валы, оси, шестерни, зубчатые колеса, муфты, шпиндели, цапфы, пальцы, втулки – практически все вращающиеся и нагруженные элементы традиционно изготавливают из среднеуглеродистых конструкционных сталей (нередко легированных) после соответствующей термообработки. Например, коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания обычно коваются из легированной стали ~0,3–0,4% C с последующей закалкой и низким отпуском, что обеспечивает высокую усталостную прочность.
• Транспорт и автомобили: рессоры и пружины подвески делаются из сталей с ~0,5–0,6% C (пружинные марки 50Г, 60С2А и аналогичные) – после закалки такие элементы выдерживают многократные изгибы. Железнодорожные рельсы традиционно производятся из сталей около 0,7% C (на грани средне- и высокоуглеродистых) с присадками Mn и Cr для твердости, а колёсные пары (бандажи, оси) – из средней по углероду стали, способной сочетать прочность с вязкостью. Корпуса и рамы тяжёлой техники (строительной, сельскохозяйственной) могут включать среднеуглеродистые стали в нагруженных узлах, хотя для сварных рам чаще берут низкоуглеродистую сталь с легированием.
• Метизы и крепёж: высокопрочные болты, гайки, шпильки классов прочности 8.8, 10.9 изготавливаются из среднеуглеродистых легированных сталей (например, 35Х, 40Х, 30ХГСА), которые после термообработки получают требуемую твердость и выносливость. Стальные канаты, тросы для подъёмных кранов и лифтов делают из проволоки повышенной прочности, как правило, это сталь с ~0,4% C с легированием (для улучшения прочности проволока иногда патентируется).
• Инструменты и оснастка: хотя высокоуглеродистые стали более характерны для режущего инструмента, некоторые ударные инструменты (зубила, молотки, кирки) выполняют из среднеуглеродистой стали, закаленной с отпуском – это даёт достаточную твердость рабочей части при прочном сердцевине. Также матрицы, штампы для прессовки пластичных материалов могут изготавливаться из среднеуглеродистых сталей с поверхностной закалкой.
• Прочие области: среднеуглеродистую сталь применяют в строительстве (например, арматура повышенной прочности иногда содержит ~0,3% C), в судостроении (отдельные узлы судовых механизмов), в нефтегазовой отрасли (элементы насосов, клапанов, трубопроводов среднего давления). Практически везде, где требуется материал прочнее обычного проката Ст3 или Ст20, но дешевле и технологичнее, чем дорогие высоколегированные стали, на выручку приходит среднеуглеродистая сталь.

Сравнение с низко- и высокоуглеродистыми сталями

Среднеуглеродистая сталь часто рассматривается как «золотая середина» между мягкими и высокоуглеродистыми сплавами. Ниже приведены ее основные плюсы и минусы относительно соседних классов:

По сравнению с низкоуглеродистыми сталями

Среднеуглеродистые обладают значительно большей прочностью и твердостью. Они способны нести большие механические нагрузки и могут упрочняться термообработкой (чего невозможно достичь у мягких сталей с низким C). Однако за усиление приходится платить снижением пластичности и ухудшением свариваемости. В то время как низкоуглеродистая сталь (например, Ст3 или AISI 1010) легко гнется, штампуется в холодном состоянии и сваривается практически без ограничений, сталь с 0,4% C будет более жесткой, может треснуть при резком изгибе и требует тщательной подготовки при сварке. Таким образом, среднеуглеродистая сталь выигрывает по прочности, но уступает мягкой стали в технологичности холодной обработки и сварочных работ.

По сравнению с высокоуглеродистыми сталями

Среднеуглеродистые стали более пластичны и ударостойки. Они менее хрупкие, лучше переносят переменные нагрузки и удары, чем высокоуглеродистые (с >0,7% C), которые в закаленном состоянии очень твердые, но ломкие. Кроме того, стали среднего углерода проще обрабатывать: высокоуглеродистые чаще всего требуют отжига перед механической обработкой, иначе инструмент быстро затупляется – среднеуглеродистые же режутся относительно легче. Минусом является то, что максимальная твердость и прочность среднеуглеродистых сталей ниже, чем у высокоуглеродистых. Последние (например, инструментальные У10, легированные пружинные 70С3А) способны достигать экстремально высокой твердости (HRC 60–65) после закалки, что необходимо для режущих кромок, пружин, напильников и т.д. Среднеуглеродистые стали физически не могут удерживать столько углерода в твердом растворе, поэтому даже в закаленном состоянии их твердость ограничена ~50–55 HRC. Если требуется сверхтвёрдый материал – выбирают высокоуглеродистый сплав, но нужно помнить о его хрупкости. Средний же класс обеспечивает компромисс – достаточную твердость с приемлемой вязкостью.


В целом, плюсы среднеуглеродистых сталей – баланс свойств и универсальность. Они сильнее, чем мягкие стали, и более надежны в динамике, чем хрупкие высокоуглеродистые. Минусы – это потребность в более сложной обработке (термической, сварочной) и отсутствие каких-либо специальных свойств (как у легированных сталей или нержавеющих сплавов). Тем не менее именно комбинация свойств делает их незаменимыми во многих отраслях.

Итак, среднеуглеродистая сталь – это сплав, содержащий порядка 0,3–0,6% углерода, что придает ему промежуточные свойства между пластичными низкоуглеродистыми и сверхпрочными высокоуглеродистыми сталями. Класс среднеуглеродистых включает десятки марок, от простых углеродистых до легированных, и все они характеризуются повышенной прочностью, возможностью упрочнения путем закалки, а также достаточной пластичностью для обработки и эксплуатации. 

Главное достоинство таких сталей – универсальность: они достаточно прочны для большинства конструкций (особенно после термообработки), при этом не слишком дорогие и доступны в разном прокате. Среднеуглеродистые стали применяются для изготовления критически важных деталей машин, пружин, крепежа и многих других изделий, когда требуется баланс прочности и вязкости. 

В каталоге на сайте СПб Металл вы можете ознакомиться с ассортиментом стали и сплавов разных марок, в том числе и среднеуглеродистой. 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.