Acier à teneur moyenne en carbone : composition, propriétés, nuances et utilisations

Barres d'acier au carbone moyen

L'acier mi-dur est un acier allié dont la teneur en carbone varie entre 0.30 et 0.60 % en poids. Le carbone lui confère une résistance et une durabilité accrues. D'autres éléments d'alliage, comme le silicium et le soufre, lui assurent une bonne résistance à l'usure et le rendent apte au traitement thermique, lui conférant ainsi la robustesse nécessaire à des applications telles que les arbres, les engrenages, les essieux et les composants ferroviaires soumis à des charges importantes. 

Proleantech propose de nombreux services d'usinage d'alliages d'acier à moyen carbone pour la fabrication de composants de précision et de pièces forgées. Cet article vous permettra de tout savoir sur l'acier à moyen carbone.

Qu'est-ce que l'acier à moyenne teneur en carbone ?

Avant d'aborder en détail l'acier mi-dur, il est important de bien comprendre la classification des aciers, ce qui vous permettra de dissiper de nombreuses confusions courantes concernant les types d'acier et la différence entre eux. acier allié vs acier au carboneComme le montre la figure 1, l'acier au carbone est classé en trois grandes sous-classes selon sa teneur en carbone. L'acier à moyenne teneur en carbone occupe une position intermédiaire ; il fait ainsi le lien entre les aciers à faible et à haute teneur en carbone.

Classification de l'acier

Il s'agit d'une confusion fréquente qui intrigue beaucoup de gens. L'acier au carbone est principalement composé de fer et de carbone, avec seulement de faibles quantités d'autres éléments servant d'impuretés. En revanche, les aciers alliés contiennent intentionnellement d'autres éléments métalliques, tels que le chrome et le nickel. 

Les aciers au carbone sont conçus pour améliorer la résistance et la dureté dans les applications structurelles, tandis que les aciers alliés sont optimisés pour atteindre des propriétés spécifiques telles que la résistance à la corrosion et la durabilité. Consultez un comparatif complet des acier allié vs acier au carbone.

Teneur en carbone de l'acier à moyenne teneur en carbone

L'acier à moyenne teneur en carbone contient généralement 0.30 à 0.60 % de carbone et généralement de 0.60 à 1.65 % de manganèse. On peut également y trouver de faibles quantités de silicium, de soufre, de phosphore, etc., comme impuretés. Dans le tableau ci-dessous, vous pouvez clairement constater le positionnement de l'acier à teneur moyenne en carbone au sein de la famille des aciers au carbone, tant quantitativement que qualitativement.

Tableau 1: Comparaison de l'acier à teneur moyenne en carbone avec d'autres aciers au carbone et la fonte

On constate que les aciers à faible et à forte teneur en carbone représentent deux extrêmes opposés. La théorie est simple : l’augmentation du pourcentage de carbone accroît la dureté et la résistance, mais au détriment de la ductilité et de la fragilité. Les aciers à teneur moyenne en carbone, quant à eux, offrent un compromis : ils sont plus résistants que les aciers doux, tout en restant usinables et traitables thermiquement. Pour une représentation plus détaillée des aciers et des fontes, vous pouvez consulter… diagrammes de phase fer-carbone.

Composition chimique de l'acier à moyenne teneur en carbone

Les aciers à moyenne teneur en carbone ne constituent pas un alliage unique ; il s'agit d'une famille de nuances différentes que l'on retrouve dans les liste des nuances d'acier allié avec des compositions légèrement variables. Le tableau ci-dessous présente les pourcentages massiques moyens des éléments les plus courants présents dans l'acier mi-dur. Les ingénieurs font généralement varier ces compositions pour obtenir des propriétés sur mesure.

Tableau 2 : Compositions des éléments d'alliage courants de l'acier à moyen carbone

Réponse au traitement thermique de l'acier à moyenne teneur en carbone

Une propriété très particulière de l'acier mi-dur est sa excellente réactivité au traitement thermiquece qui nous permet de modifier ses propriétés pour répondre à des exigences spécifiques. Les aciers à faible et à haute teneur en carbone ne possèdent pas cette capacité car :

• Les aciers à faible teneur en carbone ne contiennent pas suffisamment de carbone pour un durcissement efficace.
• Les aciers à haute teneur en carbone contiennent un excès de carbone, ce qui les rend très fragiles et sujets à la fissuration lors du traitement.

Mais l'acier à teneur moyenne en carbone contient un pourcentage modéré de carbone, et la microstructure qui en résulte est très favorable à la transformation de phase qui se produit lors du traitement thermique. Correctement traités thermiquement, les aciers à moyen carbone peuvent atteindre des niveaux de résistance comparables à ceux des aciers à haute teneur en carbone, tout en offrant une dureté finale et une résistance à l'usure supérieures. Surtout, ils conservent une bonne ténacité et présentent un risque de fissuration très faible. La maîtrise des paramètres du traitement thermique permet également d'obtenir des performances sur mesure, faisant de l'acier à moyen carbone un matériau particulièrement intéressant pour l'usinage de métaux sur mesure.

Propriétés des matériaux de l'acier à moyenne teneur en carbone

Les propriétés uniques de l'acier mi-dur proviennent non seulement de sa teneur en carbone, mais aussi de la manière dont ce dernier est réparti au sein de la matrice de fer. Il ne s'agit pas d'une simple structure ordonnée d'atomes de carbone parmi la majorité des atomes de fer. 

Microstructure de l'acier à moyenne teneur en carbone

L'acier mi-dur ne présente pas une seule phase uniforme à température ambiante. Sa microstructure est constituée d'un mélange de deux phases : la ferrite et la perlite. 

• Phase ferrite : Phase molle et ductile. La ferrite est responsable de la ductilité du matériau.
• Phase perlite : La structure est composée de couches de ferrite et de carbure de fer (cémentite). Le carbure de fer est le seul endroit où le carbone est présent. La perlite contribue principalement à la résistance et à la dureté de l'acier.

L'explication ci-dessus devrait permettre de comprendre clairement pourquoi la résistance augmente avec la teneur en carbone. Ceci explique également pourquoi l'acier à moyenne teneur en carbone possède naturellement une résistance supérieure à celle de l'acier à faible teneur en carbone, tout en restant moins cassant que l'acier à haute teneur en carbone.

Comment le traitement thermique modifie-t-il la microstructure ?

Four de traitement thermique

Le traitement thermique permet de modifier la structure interne de l'acier mi-dur afin d'obtenir des propriétés sur mesure. Le principe du traitement thermique d'un acier mi-dur est expliqué ci-dessous.

• Chauffage Elle transforme la microstructure en une phase unique et uniforme. À ce stade, les atomes de carbone sont libérés de leurs phases d'encapsulation et peuvent se redistribuer au sein de la structure.
• Trempage À cette température, l'acier permet au carbone de se dissoudre complètement et de se répartir uniformément. La durée de trempage est primordiale car elle constitue l'un des principaux paramètres de contrôle du procédé.
• Trempe La trempe est un processus de refroidissement rapide. Elle piège brutalement les atomes de carbone sans leur laisser le temps de se réorganiser correctement. Il en résulte la formation d'une phase différente : la martensite. La martensite possède une structure interne nettement plus dure et plus résistante.
• Trempe Il s'agit de l'étape finale de réchauffage à basse température, qui réduit la fragilité excessive. Elle permet également de restaurer une part importante de la ténacité tout en préservant une grande partie de la résistance acquise.

Certaines techniques de traitement thermique impliquent plusieurs étapes de chauffage contrôlé et de refroidissement subséquent, où l'on peut faire varier des paramètres de processus tels que la température, le temps et le milieu de trempe pour obtenir des propriétés spécifiques.

Propriétés mécaniques de l'acier à moyenne teneur en carbone

L'acier mi-dur est apprécié pour ses propriétés mécaniques intrinsèques très équilibrées, dues à sa composition. Toutefois, si vous souhaitez augmenter encore sa résistance et sa dureté, nous pouvons y parvenir grâce à des traitements thermiques, tout en préservant des valeurs acceptables de ductilité et de ténacité.

Force et dureté

L'acier mi-dur offre une bonne résistance et une dureté satisfaisante, répondant généralement aux exigences des composants soumis à des charges modérées et à une usure importante. Les valeurs moyennes de résistance et de dureté des aciers mi-durs (à l'état normalisé ou laminé à chaud) sont indiquées ci-dessous. Ces valeurs peuvent légèrement varier selon la nuance d'acier et les procédés de fabrication.

• Résistance à la traction: 550 à 850 MPa
• Limite d'élasticité:: 350 à 600 MPa
• Dureté Brinell : 170 – 230 HB (peut être augmenté jusqu'à 280 – 300+ HB) (après traitement thermique)

L'acier AISI 1045 est la nuance d'acier mi-dur la plus répandue. Sa résistance à la traction est généralement d'environ 635 MPa, mais peut atteindre des valeurs proches de 900 MPa après traitement thermique, ce qui le rend adapté à la fabrication de boulons et d'arbres de transmission automobiles.

Ductilité

Assemblage du marteau de piano

Bien que la ductilité diminue avec l'ajout de carbone, les aciers à teneur moyenne en carbone conservent généralement une flexibilité utilisable. Allongement à la rupture de 15 à 25 % valeur. Cette valeur est généralement considérée comme suffisante pour permettre une déformation sans risque sous des charges inattendues, au lieu d'une rupture soudaine.

Ténacité

Les aciers à moyenne teneur en carbone présentent une bonne ténacité à l'état normalisé. Cependant, une trempe excessive ou l'absence totale de revenu peuvent réduire considérablement leur résistance aux chocs. C'est pourquoi des cycles de traitement thermique contrôlés et appropriés sont essentiels.

Propriétés physiques de l'acier à moyenne teneur en carbone

Un autre avantage majeur de l'acier mi-dur réside dans ses propriétés physiques idéales pour la fabrication de composants industriels. Il constitue un excellent choix pour les applications exigeant résistance et stabilité thermique.

Tableau 3 : Propriétés physiques de l'acier à moyenne teneur en carbone

Nuances et normes de l'acier à moyenne teneur en carbone

barres d'acier au carbone moyen

L'acier mi-dur est disponible dans une vaste gamme de nuances normalisées, conçues pour répondre à des exigences spécifiques en termes de résistance, de ténacité et d'usinabilité. Ces nuances présentent une teneur en carbone similaire, mais diffèrent principalement par leur composition, leur procédé de fabrication et leur traitement thermique. Comprendre ces distinctions est essentiel pour choisir la nuance appropriée aux composants critiques et aux pièces fabriquées sur mesure.

Série AISI 10xx (acier AISI 1045 et autres nuances courantes)

Les aciers à teneur moyenne en carbone les plus courants appartiennent à la série AISI 10xx. Le fonctionnement de cette désignation est simple : les deux premiers chiffres représentent la classe d’acier et les deux derniers indiquent le pourcentage de carbone. Par exemple, pour l’acier AISI 1045 :

• "10" représente l'acier au carbone simple
• "45" représente 0.45 % de carbone

Certaines des nuances populaires d'aciers à teneur moyenne en carbone sont répertoriées dans le tableau 4. Parmi celles-ci, l'acier AISI 1045 est le type le plus courant, qui a de nombreuses applications dans un large éventail d'industries.

Tableau 4 : Nuances courantes d’acier à moyenne teneur en carbone et leurs applications

L'acier AISI 4140 est-il un acier à teneur moyenne en carbone ?

L'AISI 4140 est techniquement un acier faiblement allié. pas de l'acier au carboneIl est parfois mentionné sous la catégorie des aciers à teneur moyenne en carbone, car il contient 0.38 à 0.43 % de carbone, ce qui le situe numériquement dans la gamme des aciers à teneur moyenne en carbone.

L'acier AISI 4140 contient du chrome (0.8 à 1.1 %) et du molybdène (0.15 à 0.25 %) comme principaux éléments d'alliage. De ce fait, il est classé comme acier allié et non comme acier au carbone. L'AISI 4140 offre une excellente trempabilité et une grande résistance à la fatigue ; il est largement utilisé pour les vilebrequins, les engrenages et les arbres soumis à de fortes contraintes.

Équivalents internationaux des nuances d'acier à moyenne teneur en carbone AISI

Les aciers à moyenne teneur en carbone de la série AISI 10xx sont reconnus internationalement sous différentes appellations. On peut trouver des formats de désignation différents selon les normes, mais ces nuances sont globalement équivalentes en termes de teneur en carbone et de comportement mécanique.

Tableau 5 : Différentes désignations de l’acier à moyenne teneur en carbone selon différentes normes

Comment choisir la bonne nuance d'acier au carbone ?

Pour choisir un acier mi-dur adapté, il est indispensable de bien comprendre les exigences techniques. Le choix du matériau nécessite une étude approfondie de la pièce afin de définir clairement les exigences, les limites, les conditions environnementales et les contraintes budgétaires. Les principaux facteurs à prendre en compte lors du choix d'un acier mi-dur sont :

• Exigences de charge mécanique
• exigences en matière d'usure et de performance de surface
• Épaisseur de section et trempabilité
• contraintes de fabrication et de traitement
• Conditions environnementales et de service
• coût et disponibilité des matériaux

Il est fortement recommandé de solliciter l'avis et de consulter des experts compétents avant de procéder au choix final.

Applications de l'acier à moyenne teneur en carbone

Arbre d'essieu automobile

L'excellente combinaison des propriétés de l'acier mi-dur est très appréciée des ingénieurs des secteurs du génie civil, de la mécanique et de l'automobile. C'est pourquoi il est largement utilisé dans les composants soumis à des contraintes modérées à élevées, à des charges cycliques et à l'usure. 

Arbres et essieux

Largement utilisé dans les arbres de transmission automobiles, les arbres d'essieu et les arbres de transmission de puissance en raison de sa haute résistance à la traction et à la fatigue.

Engrenages et accouplements

Utilisé comme matériau pour les engrenages, les pignons et les accouplements mécaniques soumis à des contraintes de contact élevées. 

Composants forgés

Couramment utilisé dans les clés, les tiges et les têtes de marteau en raison de sa haute résistance, de sa résistance aux chocs et de sa durabilité.

Pièces mécaniques et de machines

Largement utilisé dans les vilebrequins, les bielles et les composants de machines tournantes qui subissent des charges combinées de torsion et de flexion dans des conditions de service cycliques.

Construction et équipement lourd

Les boulons, goupilles, composants de levage et connecteurs structuraux en acier à teneur moyenne en carbone sont très populaires en raison de leur capacité de charge élevée et de leur résistance à l'usure mécanique.

Avantages de l'acier à moyenne teneur en carbone

Propriétés mécaniques équilibrées

Grâce à l'excellente combinaison des propriétés de l'acier mi-dur, il offre à la fois une bonne résistance et une bonne ténacité. Ceci le rend particulièrement adapté aux composants porteurs nécessitant une bonne résistance à la déformation et une bonne tolérance aux charges dynamiques.

Grande réactivité au traitement thermique

Cela nous permet de jouer avec ses propriétés lors de la transformation et du traitement thermique. Un avantage majeur de cette propriété est la possibilité d'obtenir des surfaces dures et résistantes à l'usure, associées à des noyaux tenaces. Ces matériaux sont largement utilisés dans la fabrication d'engrenages, de cames et de composants soumis à des charges de fatigue.

Bonne usinabilité à l'état non traité 

Les aciers à moyenne teneur en carbone sont facilement usinables avant traitement thermique. Par conséquent, nous pouvons aisément les usiner selon diverses géométries avant le traitement thermique final. Cela réduit considérablement l'usure des outils et les coûts de fabrication. matériaux en acier utilisés dans l'usinage général.

Large disponibilité et standardisation

Étant donné que la plupart des aciers à teneur moyenne en carbone sont normalisés à l'échelle mondiale (par exemple, l'AISI 1045 et le C45 sont de la même nuance selon des normes différentes) et sont faciles à se procurer, la sélection des matériaux, le contrôle de la qualité et le remplacement deviennent très simples.

Rentabilité

L'acier mi-dur offre d'excellentes performances mécaniques sans nécessiter l'ajout d'éléments d'alliage coûteux. De ce fait, il est largement utilisé pour la fabrication de composants en grande série, là où les aciers alliés engendreraient des surcoûts et un surdimensionnement inutiles.

Limites de l'acier à moyenne teneur en carbone

ductilité inférieure à celle de l'acier à faible teneur en carbone

La formabilité et le formage à froid sont assez difficiles avec les aciers à teneur moyenne en carbone en raison de leur pourcentage de carbone plus élevé.

Soudabilité modérée

Si une opération de soudage est nécessaire, le matériau doit être préchauffé et un traitement thermique approprié doit être appliqué après soudage afin d'éviter les fissures.

Résistance à la corrosion limitée

L'acier mi-dur n'est pas le choix idéal si votre priorité est la résistance à la corrosion. Si son utilisation est nécessaire en milieu corrosif, des revêtements ou des techniques de protection de surface appropriées sont indispensables. Dans le cas contraire, il est recommandé d'envisager des aciers alternatifs comme l'AISI 4140.

Risque de fragilité dû à un traitement thermique incomplet

Un revenu inadéquat ou une absence totale de revenu peut entraîner une dureté excessive et une perte de ténacité, ce qui peut augmenter le risque de rupture fragile.

Trempabilité inférieure à celle de l'acier allié 

Pour les sections très épaisses, les aciers à teneur moyenne en carbone ordinaires peuvent ne pas atteindre une dureté uniforme sur toute la section transversale.

Usinage de métaux sur mesure 

Proléantech Nous proposons un usinage de métaux de haute qualité pour les pièces sur mesure et les composants de précision. Nous offrons une gamme de matériaux et de sous-classes d'acier, y compris des aciers à moyen carbone. 

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Conclusion

L'acier mi-dur est un excellent choix pour les projets exigeant résistance, ténacité et une faible ductilité, comme par exemple les arbres de transmission et les essieux. Il existe de nombreuses nuances d'acier mi-dur, dont certaines peuvent être facilement traitées thermiquement pour améliorer leur ténacité.