Что такое углеродистая сталь: состав, свойства и особенности

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом и небольшим количеством примесей. Это самая распространенная категория сталей, используемых в промышленности. В данном материале разберем, из чего состоит углеродистая сталь, как связаны ее структура и свойства, какие существуют виды и группы этих сталей, как они классифицируются и маркируются. Также рассмотрим основные преимущества и недостатки углеродистых сплавов и приведем примеры марок с типичными областями применения.

Углеродистая сталь: что это за металл?

По своей сути это металл (железоуглеродистый сплав), в котором углерод является главным легирующим элементом. Содержание углерода в таких сталях, как правило, находится в пределах от долей процента до примерно 2% по массе. Если углерода больше (~>2,14 %), сплав уже относится не к стали, а к чугуну. Других легирующих элементов (например, хром, никель, молибден) в углеродистых сталях намеренно не добавляют, поэтому их еще называют нелегированными сталями. Однако в составе всегда присутствуют стандартные примеси: марганец, кремний, сера, фосфор и др. Именно сочетание железа с углеродом определяет основные свойства этого материала.

Какой это металл с точки зрения химии и стандартов?

Химически углеродистая сталь на 98–99% состоит из железа (Fe). Углерод (C) в разных марках составляет от ~0,05 % (в мягких сталях) до ~1,0 % или чуть выше (в особо твердых инструментальных). Стандарты (например, ГОСТы) относят к углеродистым все стали, где доля легирующих компонентов (кроме углерода) минимальна. В составе регламентированы примеси: марганец (обычно до 0,8–1,0 %), кремний (до ~0,4 %), а вредные элементы сера (S) и фосфор (P) сведены к очень малым значениям (как правило, не более 0,03–0,05 % каждая). 

Такая нелегированная сталь обладает высоким базовым уровнем пластичности, хорошо деформируется и поддается обработке. За счет изменения процента углерода внутри этого диапазона можно существенно менять прочность, твердость и другие характеристики сплава – именно поэтому углеродистые стали имеют столь широкий диапазон свойств и находят разное применение от строительства до инструментального производства.

Краткая характеристика углеродистых сталей

Эти стали могут быть как очень мягкими и ковкими, так и крайне твердыми – все зависит от состава и термообработки. Например, конструкционные углеродистые стали низкой твердости используются там, где нужна хорошая свариваемость и пластичность (балки, листы, трубы), а высокоуглеродистые стали – это очень твердый материал, применяемый для режущих инструментов, пружин и т.д. 

 В целом углеродистые стали отличаются доступностью и невысокой ценой, при этом способны обеспечивать прочность на разрыв от приблизительно 400 МПа у мягких марок до 600–700 МПа и выше у прочных высокоуглеродистых марок. Их твердость в обычном состоянии варьируется от ~120 HB (для мягкой стали типа Ст3) до ~200–250 HB (для средне- и высокоуглеродистых без закалки). После закалки некоторые марки могут достигать твердости свыше HRC 60 (например, инструментальные стали). 

 Таким образом, углеродистая сталь – очень разносторонний материал по своим характеристикам, и ее свойства можно подобрать под конкретные задачи.

 Химический состав углеродистой стали

Основу сплава составляет железо (Fe) – не менее ~98% массы. Углерод (C) – главный легирующий элемент – содержится обычно в диапазоне от 0,1% до 0,8% в массовой доле (в отдельных инструментальных марках может доходить до ~1,2%). Также присутствуют неизбежные примеси, оставшиеся от процесса выплавки или добавляемые для улучшения технологических свойств металла:

• Марганец (Mn)
  Обычно входит до ~0,5–0,8%. Этот элемент добавляют как раскислитель и для нейтрализации серы. Марганец улучшает прочность стали и одновременно повышает ее прокаливаемость (способность закаливаться в толщине).
• Кремний (Si)
  Содержится в количестве порядка 0,2–0,3% (максимум до ~0,5%). Кремний также служит раскислителем при выплавке и немного повышает твердость и упругость стали.
• Сера (S) и фосфор (P)
  Это вредные примеси, их стараются минимизировать. В обычных углеродистых сталях допускается до 0,040–0,050 % серы и фосфора (каждого). В качественных и высококачественных марках эти показатели еще ниже (≤0,030 % или даже ≤0,015 %). Сера делает металл хрупким при высоких температурах (так называемая красноломкость), а фосфор – хрупким при низких температурах (хладноломкость), поэтому содержание этих элементов строго ограничивается стандартами.
• Прочие элементы
  Иногда в составе углеродистой стали присутствуют очень небольшие количества хрома, никеля, меди и азота (как правило, не более долей процента), которые могут попадать из сырья или технологических добавок. Их влияние обычно несущественно, и такие низкие концентрации не переводят сталь в разряд легированных. Например, медь до ~0,3 % может присутствовать без намеренного легирования и даже слегка повышает коррозионную стойкость стали.

Именно процент углерода наиболее сильно влияет на характеристики сплава. При повышении содержания C сталь становится прочнее и тверже, но одновременно утрачивает пластичность и ударную вязкость. Для наглядности: мягкая низкоуглеродистая сталь (≈0,1 % C) очень хорошо гнется и тянется, но относительно мягкая (ее сложно закалить до высокой твердости). Напротив, сталь с 0,8–1,0 % C в исходном состоянии гораздо тверже, при ударе может расколоться (ниже вязкость), зато такую сталь можно закалить до очень высокой твердости. Таким образом, углерод – это управляемый “рычаг” свойств стали: больше углерода дает высокую твердость и износостойкость, меньше углерода – выше пластичность и проще обработка.

 Для удобства восприятия сведем основные компоненты углеродистой стали в небольшую таблицу с типичными пределами:

Компонент	Содержание (примерно)	Роль в сплаве
Железо (Fe)	~98–99 %	Основа стали, формирует металлическую матрицу.
Углерод (C)	0,02–2,0 % (обычно ≤1 %)	Главный упрочняющий элемент: повышает твердость и прочность, снижает пластичность.
Марганец (Mn)	до ~0,8–1,0 %	Полезная примесь; раскисляет сталь, повышает прочность, уменьшает вред от серы.
Кремний (Si)	до ~0,4 %	Полезная примесь; раскисляет сталь, немного увеличивает твердость и упругость.
Сера (S)	≤0,05 % (высококач. ≤0,025 %)	Вредная примесь; в больших кол-вах вызывает хрупкость при нагреве, снижает ударную вязкость.
Фосфор (P)	≤0,05 % (высококач. ≤0,025 %)	Вредная примесь; повышает хрупкость на холоде, снижает пластичность.
Другие (Cr, Ni, Cu)	как правило ≤0,3 % каждый	Не добавляются специально, могут присутствовать в следовых количествах из сырья.

Структура углеродистой стали и связь со свойствами

Внутреннее строение (структура) стали – ключевой фактор, определяющий ее свойства. При комнатной температуре углеродистая сталь состоит из смеси нескольких фаз, главные из которых: феррит и цементит, образующие совместно структуру перлита. 
Объясним эти термины: ферритом называют мягкую основу стали (практически чистое железо с минимальным углеродом), а цементит – это железный карбид Fe₃C, твердая и хрупкая фаза, содержащая много углерода. Перлит же представляет собой чередующиеся тонкие пластины феррита и цементита – эта структура образуется при охлаждении стали с ~0,8 % C и придает материалу умеренную твердость при неплохой прочности.

Как содержание углерода влияет на структуру

В низкоуглеродистой стали (до ~0,25% C) преобладает феррит: структура представляет собой мягкую матрицу, в которой лишь небольшие островки перлита. Такая сталь очень пластична, легко штампуется, но относительно не прочна и не держит закалку. 

 В среднеуглеродистых сплавах (≈0,3–0,6% C) доля перлита существенно больше – материал состоит из смеси феррита и перлита. Это придает стали баланс свойств: она уже гораздо прочнее, может упрочняться термообработкой, но еще сохраняет достаточную пластичность для обработки и деформации. 

 Высокоуглеродистые стали (более ~0,6% C) при медленном охлаждении имеют преимущественно перлитную структуру, а ближе к 0,8–1,0% C состоят почти полностью из перлита. Такая сталь очень твердая в нормальном состоянии. Если же углерода еще больше (гиперэвтектоидные стали, >0,8%C), то помимо перлита в структуре появляется избыточный цементит по границам зерен – это делает материал особенно твердым, но и хрупким (пример – инструментальная сталь У12 с ~1,2%C, которую перед использованием всегда смягчают отжигом, иначе она слишком ломкая).

Фазы при термообработке

Особое значение имеет структура закаленной углеродистой стали. При быстром охлаждении (закалке) сталей с достаточным содержанием углерода формируется мартенсит – твердый пересыщенный твердый раствор углерода в железе с искаженной кристаллической решеткой. 

 Мартенсит – это крайне твердая и прочная, но хрупкая структура. Высоко- и среднеуглеродистые стали после закалки превращаются в мартенсит практически по всему объему изделия (если оно достаточно тонкое), их твердость резко возрастает (до HRC 60 и выше). Низкоуглеродистые стали, напротив, не могут образовать много мартенсита – из-за малого углерода при закалке они остаются в основном ферритно-перлитными, поэтому существенного увеличения твердости не происходит. Именно поэтому способность к закаливанию напрямую связана с содержанием углерода: например, сталь с 0,2% C практически не закаливается (ее прочность повышают другими методами, например, холодной деформацией), а сталь с 0,6–0,8% C отлично закаляется и сильно твердеет.

Связь структуры со свойствами

Микроструктура углеродистой стали определяет ее поведение под нагрузкой. Ферритная структура (мало углерода) обеспечивает высокую пластичность, ударную вязкость и хорошую свариваемость, но невысокую прочность. Перлитная или мартенситная структура (много углерода либо закалка) дает большую твердость, износостойкость и прочность, но при этом материал становится более хрупким и менее вязким. Кроме того, размер и форма структурных составляющих тоже важны: мелкодисперсный перлит (сорбит, троостит) прочнее и ударостойче, чем грубый пластинчатый перлит; мелкое зерно феррита повышает прочность и вязкость по сравнению с крупнозернистой структурой. На практике металлурги управляют структурой стали термической обработкой – отжиг, нормализация, закалка с отпуском – чтобы добиться нужного соотношения прочности и пластичности.
 

Классификация углеродистых сталей: виды и группы

Углеродистые стали классифицируют по нескольким признакам: по содержанию углерода, по назначению (области применения), по качеству (чистоте) и по способу раскисления при выплавке. Рассмотрим эти категории отдельно

Классификация по содержанию углерода

В зависимости от процентной доли C все углеродистые стали делятся на три группы:

• Низкоуглеродистые – содержат до ~0,25 % C (иногда указывают границу 0,3%). Это мягкие, пластичные стали, которые хорошо свариваются и деформируются. Примеры: Ст3 (≈0,2% C), Сталь 10 (0,10–0,20% C). Они используются в строительных конструкциях, листовом прокате, трубах, где требуются ударная вязкость и простота обработки.
• Среднеуглеродистые – содержат примерно 0,3–0,6% C. Эти стали обладают повышенной прочностью при еще удовлетворительной пластичности. Их можно закаливать (небольшие детали) для повышения твердости. Примеры: Сталь 45 (0,45% C), Сталь 35 (0,35% C). Область применения – более нагруженные детали машин, крепеж (болты высокой прочности), рессоры, оси и валки, то есть конструкции, работающие в нормальных условиях без экстремальных нагрузок.
• Высокоуглеродистые – содержат более ~0,6% C (вплоть до 0,8–1,0% в некоторых марках). Это особо твердые и износостойкие сплавы. В исходном состоянии они уже довольно прочные, а после закалки приобретают очень высокую твердость. Высокоуглеродистые стали применяют для изготовления режущего инструмента, штампов для обработки металлов, высокопрочных канатов и пружинной проволоки, дроби для дробеструйной обработки. Примеры: инструментальные стали У7, У8 (0,7–0,8% C), пружинная сталь 70 (≈0,7% C).

Группы углеродистых сталей по назначению

По сфере применения углеродистые стали делятся на две большие категории:

• Конструкционные углеродистые стали
  Предназначены для изготовления конструкций и деталей машин. Как правило, содержат до 0,8% C (большинство конструкционных – низко- или среднеуглеродистые, потому что высокой пластичности часто важнее максимальная твердость). Конструкционные стали применяются в строительстве (балки, швеллеры, арматура), в машиностроении (оси, валы, шестерни – если требования по нагрузкам умеренные) и для прочих деталей, от которых требуется надежность и вязкость. Примеры: обычная сталь Ст3 для строительных конструкций, Сталь 40 для автомобильных осей, Сталь 20 для труб и резервуаров.
• Инструментальные углеродистые стали
  Это стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного и ударного инструмента. Они, как правило, высокоуглеродистые (от ~0,7% и выше), потому что инструмент должен быть твердым и износостойким. В эту группу входят, например, стали У10, У12 (0,10 и 1,2% C соответственно) – из них делают напильники, зубила, сверла, метчики, ножи и т.д. Инструментальные углеродистые стали могут быть качественными и высококачественными (об этом ниже), чтобы гарантировать высокую прочность без вредных примесей.

Виды углеродистой стали по качеству и чистоте

Качество стали в данном случае означает степень очистки от вредных примесей (S и P) и однородность. По ГОСТам углеродистые стали делят на:

• Обыкновенного качества
  Это самые массовые стали, допускающие до ~0,05% S и P. Используются для изделий, не несущих больших нагрузок или не требующих особых свойств (например, строительный прокат, простые детали). Марки обыкновенного качества обозначаются “Ст” + номер (Ст0, Ст1, … Ст6).
• Качественные
  Более чистые стали, содержание S и P в них обычно не превышает ~0,035% каждая. Такие стали выпускаются по специальным стандартам (например, конструкционные качественные по ГОСТ 1050). Их применяют для ответственных деталей машин, которые работают под нагрузкой. Обозначение марок – обычно цифры, соответствующие содержанию углерода (см. раздел о маркировке). Примеры: Сталь 20, Сталь 45 – качественные конструкционные стали.
• Высококачественные
  Имеют еще более низкое содержание серы и фосфора (до ~0,025%). Обозначаются добавлением буквы “А” к марке (например, 40А – высококачественная сталь 0,40% C). Высококачественные стали требуются для деталей, где особенно важна вязкость и однородность металла (например, некоторые виды инструмента, ответственные узлы).
• Особо высококачественные
  Максимально очищенные стали, с S и P ≤0,015%. Обычно их получают в электропечах с тщательной внепечной обработкой. В обозначении таких марок может добавляться индекс “Ш” (намекающий на чистоту, либо указывающий принадлежность к шарикоподшипниковым сталям – которые как раз требуют минимальных примесей). Пример: ШХ15 – подшипниковая сталь с очень высокой чистотой (хромистая, но по сути тоже высокоуглеродистая).

Виды по способу раскисления

При выплавке стали важен способ удаления из расплава растворенного кислорода (раскисление). По этому признаку углеродистые стали (главным образом обыкновенного качества и некоторые качественные) подразделяют на:

• Кипящие стали (кп)
  Недополнительно раскисленные или слабо раскисленные – обычно только марганцем. В результате при затвердевании слитка выделяется много газовых пузырьков, структура получается неоднородной (края плотнее, центр более пористый). Кипящая сталь самая дешевая и пластичная, но менее прочная. Ее используют для изделий, не испытывающих больших нагрузок, например, катаная полоса, некоторые виды сварных конструкций, работающих при температуре не ниже -20°C. Марка, например: Ст3кп.
• Полуспокойные стали (пс)
  Частично раскисленные – в расплав добавляют марганец и немного алюминия (либо ферросилиция). Газы удаляются не полностью, но их меньше, и оставшиеся поры концентрируются вверху слитка (отрезаются при обработке). Полуспокойная сталь имеет более однородную структуру, чем кипящая, и меньше химической неоднородности. Пример: Ст3пс.
• Спокойные стали (сп)
  Полностью раскисленные (обычно марганцем, кремнием и алюминием). При затвердевании практически не происходит бурного газовыделения, металл получается плотным и однородным по всему объему. Спокойные стали более надежны для ответственных деталей и хорошо свариваются. Большинство качественных сталей выплавляют именно спокойными. Пример марки: Ст3сп, 20сп (если бы указывали, хотя для качественных обычно “сп” не пишут, считая по умолчанию).

Индекс (кп, пс, сп) указывается в обозначении марок стали обыкновенного качества и иногда качественных (при необходимости уточнить). Для высококачественных и особенно чистых сталей способ раскисления не указывают, так как они в любом случае делаются спокойными (полностью раскисленными).

Маркировка и обозначение: как расшифровывается углеродистая сталь

Систем маркировки сталей несколько, но в России и странах СНГ традиционно используется обозначение по ГОСТ. Марка углеродистой стали обычно несет информацию о классе, химическом составе (прежде всего о содержании углерода), качестве и других особенностях. Рассмотрим основные принципы расшифровки

Как обозначается углеродистая сталь в стандартах

По ГОСТ существуют следующие ключевые обозначения:

• Сталь обыкновенного качества
  Это марки с префиксом “Ст” и цифрой. Цифра от 0 до 6 обозначает группу по механическим свойствам и содержанию углерода (чем больше номер, тем прочнее и обычно “углеродистее” сталь). Например, Ст3 – самая распространенная строительная сталь, содержащая ~0,2% C; Ст0 – очень мягкая сталь с минимальным углеродом, высокая пластичность; Ст5 – более прочная (углерода порядка 0,5%).
  После цифры часто добавляют буквы кп/пс/сп для указания степени раскисления (см. выше). Пример полной марки: Ст3сп (сталь №3, спокойная). Также могут быть дополнительные буквы: например, Ст3Гпс – здесь “Г” означает повышенное содержание марганца (до ~0,8%) для улучшения прочности, такая сталь лучше работает при пониженных температурах.
• Конструкционные качественные углеродистые стали
  Они обозначаются числами, приблизительно равными содержанию углерода в сотых долях процента. То есть число X означает около 0,0X (или X/100) долей углерода. Примеры: Сталь 20 – около 0,20% C; Сталь 45 – ~0,45% C. Фактический допустимый диапазон углерода прописан в стандарте (для Стали 45 это 0,42–0,50%, например). Если в марке стоит буква “А” после числа, это означает высококачественную сталь с пониженным содержанием примесей. Например, 50А – сталь ~0,50% C повышенной чистоты (меньше S и P).
• Углеродистые инструментальные стали
  Маркируются буквой “У” и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У8 – инструментальная сталь с ~0,8% C; У13 – с ~1,3 % C. Если после цифры стоит буква “А”, это означает высококачественную инструментальную сталь (сниженное S и P). К примеру, У8А – высококачественная инструментальная с ~0,8% C (применяется для режущего инструмента, обладает высокой твердостью после закалки).
• Международные и альтернативные обозначения
  Помимо ГОСТ, существуют зарубежные системы: например, в стандарте ISO аналогом стали 45 является C45 или 1.0503, инструментальная У10 соответствует C105W (по EN) или AISI 1095 (близко в системе AISI/SAE). В рамках данной статьи мы фокусируемся на российской маркировке, но важно понимать, что при экспорте/импорте металла часто приводят соответствия марок разных стран в технической документации.

Примеры расшифровки марок углеродистых сталей:

• Ст3сп – углеродистая сталь обыкновенного качества, группа №3 (прочная конструкционная), спокойная (полностью раскисленная). Содержит около 0,2% C, применяется в строительстве, хорошо сваривается.
• 40 (иногда пишут Сталь 40) – качественная конструкционная сталь с примерно 0,4% углерода. Без литер, значит обычного качества (не А) и по умолчанию спокойная. Применяется для механически нагруженных деталей (оси, шестерни) с последующей термообработкой.
• 45А – сталь 0,45% C высококачественная (пониженные S, P). Используется для ответственных деталей, которые подвергаются закалке и отпуску (например, поршневые пальцы, шестерни трансмиссий).
• У10А – углеродистая инструментальная сталь с ~1,0% C, высококачественная. Применяется для режущих инструментов (сверла, фрезы, развертки) после закалки достигает высокой твердости.
• Сталь 08кп – качественная мягкая сталь с ~0,08% C, кипящая. Очень пластична, идет на глубокую штамповку, изготовление труб небольшой толщины и прочих изделий, где нужна хорошая формуемость.

Свойства углеродистой стали: основные и механические

К ключевым характеристикам относятся механические свойства, физические свойства и технологические. Механические свойства – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению: предел прочности (σB, максимальное напряжение при растяжении, МПа), предел текучести (σТ, напряжение начала пластической деформации), относительное удлинение (пластичность в %), ударная вязкость (энергия, поглощаемая при ударе, Дж/см²). Физические свойства включают плотность, температуры плавления, теплопроводность, магнитные характеристики и др. Технологические свойства – это удобство обработки: свариваемость, обрабатываемость резанием, прокаливаемость, склонность к хрупкому излому и пр. Для углеродистых сталей все эти параметры сильно зависят от содержания углерода и термообработки.

Механические свойства

В мягком состоянии (без закалки) низкоуглеродистые стали имеют предел текучести порядка 200–300 МПа, предел прочности ~400–500 МПа, при удлинении до 25–30%. У высокоуглеродистых (например, после нормализации сталь 45) прочность может достигать 600–700 МПа при удлинении ~10–15%. Закалка и отпуск позволяют средне- и высокоуглеродистым сталям получить сочетание высокой прочности с приемлемой пластичностью: например, сталь 45 после закалки и отпуска может иметь σB ~800 МПа, при относительном удлинении ~12%. Ударная вязкость (KCU) углеродистых сталей обычно снижается с ростом углерода: мягкая сталь (0,2 % C) имеет KCU порядка 500–600 кДж/м² (высокая вязкость), тогда как у стали с 0,5% C этот параметр может составлять 300–400 кДж/м² (более хрупкая). 

 При понижении температуры ударная вязкость углеродистых сталей падает (особенно если повышен фосфор): известен порог хладноломкости – температура, ниже которой сталь становится хрупкой. Для спокойных сталей с низким фосфором этот порог может быть около -30…-40°C (у низкоуглеродистых), а для кипящих сталей или высокоуглеродистых – выше, около -15…0°C. Поэтому при эксплуатации на холоде выбирают специальные марки или применяют легирование.
Прочностные показатели (σB, σТ) и твердость углеродистой стали определяются:

1. Химическим составом, в первую очередь долей углерода – больше С дает выше потенциал прочности.
2. Микроструктурой, зависящей от термообработки: мелкое зерно прочнее крупного, закаленный мартенсит намного прочнее феррита/перлита.
3. Наличием упрочняющих фаз – цементит увеличивает твердость, но его избыток ухудшает вязкость. Оптимум – структура типа мелкого перлита или сорбита после отпуска.
4. Чистотой металла, отсутствием дефектов – примеси серы/фосфора снижают прочность при определенных условиях (повышают риск трещин).
5. Размером и формой изделия – поскольку углеродистая сталь имеет ограниченную прокаливаемость, прочность крупной детали может быть ниже (сердцевина остается мягкой).

Таким образом, правильно выбранная марка и режим обработки позволяют достичь требуемой прочности. Например, если нужна максимальная твердость поверхности – берут сталь с высоким C и закаливают; если важна вязкость – берут низкоуглеродистую с нормализацией или улучшением (закалкой+отпуском) для мелкого зерна.

Твердость углеродистой стали и влияние термообработки

Твердость незакаленных углеродистых сталей по Бринеллю (HB) растет от ~120 HB (сталь с 0,2% C после отжига) до ~200 HB (сталь с 0,5% C после нормализации) и ~250–280 HB (сталь ~0,8% C после охлаждения на воздухе). После закалки и низкого отпуска высокоуглеродистые стали достигают твердости, измеряемой по Роквеллу: HRC 60–65 (пример – У10А после закалки имеет около 62 HRC, что соответствует ~700 HB). Среднеуглеродистая сталь 0,4–0,5% C закаленная даст ~HRC 50–55. 

 Низкоуглеродистые стали (до 0,25% C) не набирают высокую твердость даже при закалке – максимум ~HRC 30, и то только на поверхности. Отпуск (нагрев закаленной стали для снятия напряжений) уменьшает твердость, но повышает вязкость: например, отпущенный при 500°С мартенсит стали 45 будет иметь HRC 30–35, зато деталь станет менее хрупкой. Таким образом, диапазон твердости углеродистых сталей очень широк: от мягких состояний (~100 HB) до закаленных (>60 HRC), и это используется в практике (например, сердцевина детали оставляется мягкой, а поверхностный слой закаливается – получение твердой оболочки при пластичном сердечнике).

Плотность углеродистой стали

Плотность мало зависит от содержания углерода, потому что углерод – малый процент. В среднем принимается ≈7,85 г/см³ (или 7850 кг/м³) при комнатной температуре. У совсем мягкой стали она может быть чуть выше (~7,87), у высокоуглеродистой – чуть ниже (~7,80) из-за присутствия карбидов, но разница незначительна (в пределах 1–2%). Для инженерных расчетов обычно берут 7,85 г/см³. Температура плавления углеродистых сталей находится в диапазоне 1450–1520 °C (при большем углероде ликвидус снижается, эвтектическая точка ~1147 °C для 4,3 % C, но в углеродистых сталях столько углерода нет). 

 Теплопроводность и электропроводность углеродистой стали хуже, чем у чистого железа, и с ростом углерода снижаются. Например, удельное электрическое сопротивление увеличивается по мере легирования углеродом. Магнитные свойства: углеродистые стали являются ферромагнитными (намагничиваются), но высокоуглеродистая сталь имеет несколько меньшую магнитную проницаемость и большую коэрцитивную силу (может сохранять намагниченность как закаленный инструмент – то есть становится более “жестким” магнитом).

Особенности поведения при нагрузках

Углеродистая сталь демонстрирует классический предел текучести – то есть четкую границу между упругой и пластической деформацией (особенно выражено у мягких сталей с низким C). Это удобно при расчете конструкций: например, стальная балка может гнуться, но не сломается, пока не превысится предел текучести, и при разгрузке частично вернется в исходную форму. 

 Однако присутствует явление наклепа – при холодной деформации (штамповке, прокатке) сталь упрочняется, ее твердость и предел текучести растут, а пластичность падает. Этот эффект сильнее выражен у углеродистых сталей, чем у многих легированных. 

 Еще одна особенность – чувствительность к ударным и циклическим нагрузкам: углеродистая сталь может разрушиться хрупко при быстром ударе или при многократном нагружении (усталость металла), особенно если высокая жесткость и низкая вязкость (как у высокоуглеродистых). Поэтому для длительных вибрационных нагрузок или очень низких температур обычно предпочитают либо низкоуглеродистые, либо легированные стали с повышенной вязкостью.

 Наконец, следует отметить поведение при повышенных температурах: при нагреве свыше ~300 °C прочность углеродистой стали заметно падает. К примеру, при +500 °С обычная сталь теряет до 40–50% прочности. При еще более высоких температурах (600–700°С) сталь становится мягкой, ползучей – поэтому в горячих условиях (котлы, турбины) применяют специальные легированные жаропрочные стали. Углеродистая же сталь без легирования не рассчитана на длительную работу при больших температурах.

Производство и получение: как изготавливают углеродистую сталь

Исходным сырьем для производства стали служит чугун (продукт доменной печи из железной руды) и стальной лом. Чугун содержит избыточный углерод (3–4% C) и примеси, поэтому задача сталеплавильного процесса – удалить лишний углерод и вредные элементы, получив сплав с требуемым составом. Процесс идет в металлургических печах путем окисления: часть углерода сгорает (образуя CO/CO₂), одновременно удаляются кремний, марганец (частично), сера и фосфор переходят в шлак при окислении. 

 Таким образом, металл – углеродистая сталь – “вываривается” из чугуна путем рафинирования. После доведения до нужного состава расплавленная сталь разливается в изложницы (слитки) или на установке непрерывной разливки (получаются заготовки – блюмы, слябы, биллеты).

 Существует несколько методов выплавки углеродистой стали:

• Конвертерный способ (кислородно-конвертерный)
  Расплавленный чугун заливают в конвертер и продувают через него чистый кислород. Кислород окисляет избыток углерода (бурная реакция – “кипение” металла), одновременно выгорают кремний, марганец; часть примесей уходит в шлак. Конвертерный процесс очень быстрый (десятки минут), из него выходит сталь обыкновенного качества. Преимущество – большая производительность, поэтому более 70% мировой стали производится именно в конвертерах.
• Электроплавка (дуговые электропечи)
  В электрическую печь загружают стальной лом, чугун, добавки. Металл расплавляют теплом от электрической дуги. Этот способ позволяет точно регулировать состав, применять раскисление, легирование, вакуумную обработку. Электропечи дают высококачественную сталь с малым содержанием примесей (вплоть до особо высококачественных). Метод более дорогой, зато позволяет выплавлять сталь для ответственных применений, в том числе углеродистую сталь высокого качества.
• Исторический мартеновский способ
  Ранее широко применялся: чугун и лом плавились в большом регенеративном отражательном газовом мартеновском агрегате. Процесс длительный (несколько часов). В наше время мартеновские печи практически выведены из эксплуатации (в России последняя мартеновская плавка была остановлена в 2018 году). Мартеновский способ позволял получать сталь средней чистоты, но уступил место конвертерам и электропечам, которые эффективнее.
• Специальные способы
  Сюда относятся вакуумно-индукционные печи, вакуумные конвертеры, плазменная выплавка – используются для ограниченных объемов стали с особыми требуемыми свойствами (например, сверхчистые стали для медицины или атомной отрасли). Для массовой углеродистой стали они не применяются, но их наличие стоит отметить.

После получения расплава выполняется разливка стали. Современный метод – разливка через кристаллизатор (машина непрерывного литья заготовок, МНЛЗ), где из жидкой стали формируются длинные заготовки квадратного или прямоугольного сечения. Эти заготовки затем сразу направляются на прокат (непрерывный цикл) или охлаждаются и поступают на склады. Более старый метод – разливка в изложницы с последующей разрубкой слитков, сейчас почти не используется для углеродистых сталей, кроме случаев, когда нужны особо крупные слитки для поковок.

 Полученные заготовки (слитки) подвергаются горячей пластической обработке:

• Прокат – основной способ придания формы металлопрокату. Слитки перерабатывают в сортовой прокат (круглая сталь, арматура, уголки, балки), в листы и полосы, в трубы (например, бесшовные трубы получают прокаткой/прессованием гильз из заготовки). Углеродистая сталь хорошо прокатывается в горячем состоянии: при ~1200°C она пластична.
• Ковка и штамповка – используются для крупных деталей или сложной формы. Нагретую стальную заготовку ковкой превращают, например, в оси, валки, диски. Инструментальные стал