Acier à haute teneur en carbone – Densité – Résistance – Dureté – Point de fusion

À propos de l’acier à haute teneur en carbone

L’acier à haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,60 à 1,00 %. La dureté est plus élevée que les autres nuances mais la ductilité diminue. Ils sont presque toujours utilisés dans un état trempé et revenu et, en tant que tels, sont particulièrement résistants à l’usure et capables de maintenir un tranchant tranchant. Par conséquent, les aciers à haute teneur en carbone pourraient être utilisés pour les ressorts, les câbles, les marteaux, les tournevis, les clés et les couteaux. La série 10xx (par exemple l’acier 1095) est le choix le plus populaire pour l’acier au carbone utilisé dans les couteaux ainsi que les katanas. Acier au carbone AISI 1095 est cassant et a une dureté et une résistance élevées. L’acier 1095, lorsqu’il est utilisé dans les couteaux, a un bon tranchant et est très facile à affûter. Cependant, les propriétés de ce type d’acier lui donnent une tendance à rouiller facilement s’il n’est pas huilé et délibérément entretenu.

Résumé

Nom	Acier à haute teneur en carbone
Phase à STP	solide
Densité	7850kg/m3
Résistance à la traction ultime	685 MPa
Limite d’élasticité	525 MPa
Module de Young	200 GPa
Dureté Brinell	200 BHN
Point de fusion	1515°C
Conductivité thermique	50W/mK
Capacité thermique	490 J/g·K
Prix	1 $/kg

Densité de l’acier à haute teneur en carbone

Les densités typiques de diverses substances sont à la pression atmosphérique. La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une  propriété intensive, qui est définie mathématiquement comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

En d’autres termes, la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance. L’unité SI standard est le kilogramme par mètre cube (kg/m³). L’unité anglaise standard est la masse de livres par pied cube (lbm/ft³).

La densité de l’acier à haute teneur en carbone est de 7850 kg/m³.

Exemple: Densité

Calculez la hauteur d’un cube en acier à haute teneur en carbone, qui pèse une tonne métrique.

Solution:

La densité est définie comme la masse par unité de volume. Il est mathématiquement défini comme la masse divisée par le volume: ρ = m/V

Comme le volume d’un cube est la troisième puissance de ses côtés (V = a³), la hauteur de ce cube peut être calculée:

La hauteur de ce cube est alors a = 0,503 m.

Propriétés mécaniques de l’acier à haute teneur en carbone

Résistance de l’acier à haute teneur en carbone

En mécanique des matériaux, la résistance d’un matériau est sa capacité à supporter une charge appliquée sans rupture ni déformation plastique. La résistance des matériaux considère essentiellement la relation entre les charges externes appliquées à un matériau et la déformation ou la modification des dimensions du matériau qui en résulte. La résistance d’un matériau est sa capacité à supporter cette charge appliquée sans défaillance ni déformation plastique.

Résistance à la traction ultime

La résistance à la traction ultime de l’acier à haute teneur en carbone est de 685 MPa.

La résistance à la traction ultime est le maximum sur la courbe technique de contrainte-déformation. Cela correspond à la contrainte maximale qui peut être soutenu par une structure en tension. La résistance à la traction ultime est souvent abrégée en « résistance à la traction » ou même en « l’ultime ». Si cette contrainte est appliquée et maintenue, une fracture en résultera. Souvent, cette valeur est nettement supérieure à la limite d’élasticité (jusqu’à 50 à 60 % de plus que le rendement pour certains types de métaux). Lorsqu’un matériau ductile atteint sa résistance ultime, il subit une striction où la section transversale se réduit localement. La courbe contrainte-déformation ne contient pas de contrainte supérieure à la résistance ultime. Même si les déformations peuvent continuer à augmenter, la contrainte diminue généralement après que la résistance ultime a été atteinte. C’est une propriété intensive; sa valeur ne dépend donc pas de la taille de l’éprouvette. Cependant, cela dépend d’autres facteurs, tels que la préparation de l’échantillon, température de l’environnement et du matériau d’essai. Les résistances ultimes à la traction varient de 50 MPa pour un aluminium jusqu’à 3000 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Limite d’élasticité

La limite d’élasticité de l’acier à haute teneur en carbone est de 525 MPa.

La limite d’ élasticité est le point sur une courbe contrainte-déformation qui indique la limite du comportement élastique et le début du comportement plastique. Limite d’élasticité ou la limite d’élasticité est la propriété du matériau définie comme la contrainte à laquelle un matériau commence à se déformer plastiquement, tandis que la limite d’élasticité est le point où la déformation non linéaire (élastique + plastique) commence. Avant la limite d’élasticité, le matériau se déforme élastiquement et reprend sa forme d’origine lorsque la contrainte appliquée est supprimée. Une fois la limite d’élasticité dépassée, une partie de la déformation sera permanente et irréversible. Certains aciers et autres matériaux présentent un comportement appelé phénomène de limite d’élasticité. Les limites d’élasticité varient de 35 MPa pour un aluminium à faible résistance à plus de 1400 MPa pour les aciers à très haute résistance.

Module de Young

Le module de Young de l’acier à haute teneur en carbone  est de 200 GPa.

Le module de Young est le module d’élasticité pour les contraintes de traction et de compression dans le régime d’élasticité linéaire d’une déformation uniaxiale et est généralement évalué par des essais de traction. Jusqu’à une contrainte limite, une caisse pourra retrouver ses dimensions au retrait de la charge. Les contraintes appliquées font que les atomes d’un cristal se déplacent de leur position d’équilibre. Tous les atomes sont déplacés de la même quantité et conservent toujours leur géométrie relative. Lorsque les contraintes sont supprimées, tous les atomes reviennent à leur position d’origine et aucune déformation permanente ne se produit. Selon la loi de Hooke, la contrainte est proportionnelle à la déformation (dans la région élastique), et la pente est le module de Young. Le module de Young est égal à la contrainte longitudinale divisée par la déformation.

Dureté de l’acier à haute teneur en carbone

La dureté Brinell de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 200 MPa.

En science des matériaux, la dureté est la capacité à résister à l’indentation de surface (déformation plastique localisée) et aux rayures. La dureté est probablement la propriété matérielle la plus mal définie car elle peut indiquer une résistance aux rayures, une résistance à l’abrasion, une résistance à l’indentation ou encore une résistance à la mise en forme ou à la déformation plastique localisée. La dureté est importante d’un point de vue technique car la résistance à l’usure par frottement ou érosion par la vapeur, l’huile et l’eau augmente généralement avec la dureté.

Le test de dureté Brinell est l’un des tests de dureté par indentation, qui a été développé pour les tests de dureté. Dans les tests Brinell, un pénétrateur sphérique dur est forcé sous une charge spécifique dans la surface du métal à tester. Le test typique utilise une bille en acier trempé de 10 mm (0,39 in) de diamètre  comme pénétrateur avec une force de 3 000 kgf (29,42 kN; 6 614 lbf). La charge est maintenue constante pendant un temps déterminé (entre 10 et 30 s). Pour les matériaux plus tendres, une force plus faible est utilisée; pour les matériaux plus durs, une bille en carbure de tungstène remplace la bille en acier.

Le test fournit des résultats numériques pour quantifier la dureté d’un matériau, qui est exprimée par le nombre de dureté Brinell – HB. Le nombre de dureté Brinell est désigné par les normes d’essai les plus couramment utilisées (ASTM E10-14[2] et ISO 6506–1:2005) comme HBW (H de la dureté, B de Brinell et W du matériau du pénétrateur, le tungstène (wolfram) carbure). Dans les anciennes normes, HB ou HBS étaient utilisés pour désigner les mesures effectuées avec des pénétrateurs en acier.

L’ indice de dureté Brinell (HB) est la charge divisée par la surface de l’indentation. Le diamètre de l’empreinte est mesuré avec un microscope à échelle superposée. Le nombre de dureté Brinell est calculé à partir de l’équation:

Il existe une variété de méthodes d’essai couramment utilisées (par exemple, Brinell, Knoop, Vickers et Rockwell). Il existe des tableaux qui sont disponibles corrélant les nombres de dureté des différentes méthodes d’essai où la corrélation est applicable. Dans toutes les échelles, un nombre élevé de dureté représente un métal dur.

Exemple: Force

Supposons une tige en plastique, qui est faite d’acier à haute teneur en carbone. Cette tige en plastique a une section transversale de 1 cm². Calculez la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance ultime à la traction de ce matériau, soit: UTS = 685 MPa.

Solution:

La contrainte (σ)  peut être assimilée à la charge par unité de surface ou à la force (F) appliquée par section transversale (A) perpendiculaire à la force comme suit:

par conséquent, la force de traction nécessaire pour atteindre la résistance à la traction ultime est:

F = UTS x A = 685 x 10⁶ x 0,0001 = 68 500 N

Propriétés thermiques de l’acier à haute teneur en carbone

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de  température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de l’énergie sous forme de chaleur, sa température augmente et ses dimensions augmentent. Mais différents matériaux réagissent différemment à l’application de chaleur.

La capacité calorifique, la dilatation thermique et la conductivité thermique sont des propriétés souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion de l’acier à haute teneur en carbone

Le point de fusion de l’acier à haute teneur en carbone est d’environ 1515°C.

En général, la fusion est un changement de phase d’une substance de la phase solide à la phase liquide. Le point de fusion d’une substance est la température à laquelle ce changement de phase se produit. Le point de fusion définit également une condition dans laquelle le solide et le liquide peuvent exister en équilibre.

Conductivité thermique de l’acier à haute teneur en carbone

La conductivité thermique de l’acier à haute teneur en carbone est de 50 W/(mK).

Les caractéristiques de transfert de chaleur d’un matériau solide sont mesurées par une propriété appelée la conductivité thermique, k (ou λ), mesurée en  W/mK . C’est une mesure de la capacité d’une substance à transférer de la chaleur à travers un matériau par  conduction. Notez que la loi de Fourier s’applique à toute matière, quel que soit son état (solide, liquide ou gazeux), par conséquent, elle est également définie pour les liquides et les gaz.

La conductivité thermique de la plupart des liquides et des solides varie avec la température. Pour les vapeurs, cela dépend aussi de la pression. En général:

La plupart des matériaux sont presque homogènes, nous pouvons donc généralement écrire k = k (T). Des définitions similaires sont associées aux conductivités thermiques dans les directions y et z (ky, kz), mais pour un matériau isotrope, la conductivité thermique est indépendante de la direction de transfert, kx = ky = kz = k.

Exemple: Calcul du transfert de chaleur

La conductivité thermique est définie comme la quantité de chaleur (en watts) transférée à travers une surface carrée de matériau d’une épaisseur donnée (en mètres) en raison d’une différence de température. Plus la conductivité thermique du matériau est faible, plus la capacité du matériau à résister au transfert de chaleur est grande.

Calculer le taux de  flux de chaleur à  travers un mur de 3 mx 10 m de surface (A = 30 m²). Le mur a une épaisseur de 15 cm (L₁) et est fabriqué en acier à haute teneur en carbone avec une conductivité thermique  de k₁ = 50 W/mK (mauvais isolant thermique). Supposons que les températures intérieure et extérieure  sont de 22°C et -8°C, et que les  coefficients de transfert de chaleur par convection  sur les côtés intérieur et extérieur sont h₁ = 10 W/m²K et h₂ = 30 W/m²K, respectivement. A noter que ces coefficients de convection dépendent fortement notamment des conditions ambiantes et intérieures (vent, humidité, etc.).

Calculez le flux de chaleur (perte de chaleur) à travers ce mur.

Solution:

Comme cela a été écrit, de nombreux processus de transfert de chaleur impliquent des systèmes composites et impliquent même une combinaison de conduction et  de convection. Avec ces systèmes composites, il est souvent pratique de travailler avec un coefficient de transfert de chaleur global, appelé  facteur  U. Le facteur U est défini par une expression analogue à  la loi de refroidissement de Newton:

Le  coefficient de transfert de chaleur global  est lié à la résistance thermique totale et dépend de la géométrie du problème.

En supposant un transfert de chaleur unidimensionnel à travers la paroi plane et sans tenir compte du rayonnement, le  coefficient de transfert de chaleur global  peut être calculé comme suit:

Le coefficient de transfert thermique global  est alors: U = 1 / (1/10 + 0,15/50 + 1/30) = 7,33 W/m²K

Le flux de chaleur peut alors être calculé simplement comme suit: q = 7,33 [W/m²K] x 30 [K] = 220,05 W/m²

La perte totale de chaleur à travers ce mur sera de: q_perte = q . A = 220,05 [W/m²] x 30 [m²] = 6601,47 W