Acier au Carbone vs Acier Allié – Comparaison – Avantages et inconvénients

Acier Carbone

Les aciers au carbone sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. Les aciers au carbone simples sont des alliages fer-carbone dans lesquels les propriétés sont principalement dérivées de la présence de carbone. Certains éléments accessoires comme le manganèse, le silicium, le soufre et le phosphore sont présents en faible quantité en raison du mode de fabrication des aciers et non pour en modifier les propriétés mécaniques. L’ajout d’une petite quantité de carbone non métallique au fer échange sa grande ductilité contre une plus grande résistance. En raison de sa très haute résistance, mais toujours d’une ténacité substantielle, et de sa capacité à être fortement altérée par un traitement thermique, l’acier est l’un des alliages ferreux les plus utiles et les plus courants dans l’utilisation moderne. Il existe des milliers d’alliages qui ont des compositions et/ou des traitements thermiques différents. Les propriétés mécaniques sont sensibles à la teneur en carbone, qui est normalement inférieure à 1,0 % en poids. Selon la classification AISI, l’acier au carbone est divisé en quatre classes en fonction de la teneur en carbone:

• Aciers bas carbone. L’acier à faible teneur en carbone, également connu sous le nom d’acier doux, est désormais la forme d’acier la plus courante car son prix est relativement bas alors qu’il offre des propriétés matérielles acceptables pour de nombreuses applications. L’acier à faible teneur en carbone contient environ 0,05 à 0,25 % de carbone, ce qui le rend malléable et ductile. L’acier doux a une résistance à la traction relativement faible, mais il est bon marché et facile à former; la dureté de surface peut être augmentée par carburation.
• Aciers moyennement carbonés. L’acier à moyenne teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 0,3 à 0,6 %. Équilibre la ductilité et la résistance et a une bonne résistance à l’usure. Cette nuance d’acier est principalement utilisée dans la production de composants de machines, d’arbres, d’essieux, d’engrenages, de vilebrequins, d’accouplements et de pièces forgées et pourrait également être utilisée dans les rails et les roues de chemin de fer.
• Aciers 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. Les aciers à haute teneur en carbone pourraient être utilisés pour les ressorts, les câbles, les marteaux, les tournevis et les clés.
• Acier à très haute teneur en carbone. L’acier à très haute teneur en carbone a une teneur en carbone d’environ 1,25 à 2,0 %. Aciers pouvant être trempés à grande dureté. Cette nuance d’acier pourrait être utilisée pour les produits en acier dur, tels que les ressorts de camion, les outils de coupe de métal et d’autres usages spéciaux tels que les couteaux, les essieux ou les poinçons (à usage non industriel). La plupart des aciers contenant plus de 2,5 % de carbone sont fabriqués à l’aide de la métallurgie des poudres.

Aciers Alliés

L’acier est un alliage de fer et de carbone, mais le terme acier allié ne fait généralement référence qu’aux aciers contenant d’autres éléments, tels que le vanadium, le molybdène ou le cobalt, en quantités suffisantes pour modifier les propriétés de l’acier de base. En général, l’ acier allié est un acier qui est allié avec une variété d’éléments en quantités totales comprises entre 1,0 % et 50 % en poids pour améliorer ses propriétés mécaniques. Les aciers inoxydables sont un groupe spécifique d’aciers fortement alliés, qui contiennent un minimum de 11 % de chrome en masse et un maximum de 1,2 % de carbone en masse. Les aciers alliés sont répartis en deux groupes :

• Aciers faiblement alliés. Les aciers faiblement alliés constituent une catégorie de matériaux ferreux qui présentent des propriétés mécaniques supérieures aux aciers au carbone ordinaires résultant d’ajouts d’éléments d’alliage tels que le nickel, le chrome et le molybdène, le manganèse et le silicium. Le rôle des éléments d’alliage est d’ augmenter la trempabilité afin d’optimiser les propriétés mécaniques et la ténacité  après traitement thermique. Dans certains cas, cependant, des ajouts d’alliages sont utilisés pour réduire la dégradation de l’environnement dans certaines conditions de service spécifiées.
• Aciers fortement alliés. Les aciers avec un alliage supérieur à 5 % en poids sont généralement classés comme aciers fortement alliés. Les aciers inoxydables sont les principaux types d’aciers fortement alliés, mais deux autres types sont les aciers au nickel-cobalt à très haute résistance et les aciers maraging. Les aciers inoxydables sont définis comme des aciers fortement alliés à faible teneur en carbone contenant au moins 10,5 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage.

Acier 41xx – Acier Chromoly – Aciers à très haute résistance à moyenne teneur en carbone

L’acier chromoly est un acier faiblement allié à très haute résistance et à teneur moyenne en carbone qui tire son nom d’une combinaison des mots «chrome» et «molybdène» – deux des principaux éléments d’alliage. L’acier chromoly est souvent utilisé lorsqu’une plus grande résistance est requise que celle de l’acier au carbone doux, bien que son coût soit souvent plus élevé. Le chromoly relève  des désignations d’acier AISI 41xx (ASTM A519). Les exemples d’applications pour 4130, 4140 et 4145 incluent les tubes structuraux, les cadres de vélo, les vilebrequins, les maillons de chaîne, les colliers de forage, les bouteilles de gaz pour le transport de gaz sous pression, les pièces d’armes à feu, les composants d’embrayage et de volant d’inertie et les cages de sécurité.

Propriétés de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié

Les propriétés des matériaux sont des propriétés intensives, c’est-à-dire qu’elles sont indépendantes de la quantité de masse et peuvent varier d’un endroit à l’autre du système à tout moment. La base de la science des matériaux consiste à étudier la structure des matériaux et à les relier à leurs propriétés (mécaniques, électriques, etc.). Une fois qu’un spécialiste des matériaux connaît cette corrélation structure-propriété, il peut ensuite étudier les performances relatives d’un matériau dans une application donnée. Les principaux déterminants de la structure d’un matériau et donc de ses propriétés sont ses éléments chimiques constitutifs et la manière dont il a été transformé en sa forme finale.

Densité de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié

La densité de l’ acier typique est de 8,05 g/cm³.

La densité de l’ acier allié typique est de 7,85 g/cm³ (4150 Chromoly).

La densité est définie comme la masse par unité de volume. C’est une propriété intensive, qui est mathématiquement définie 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).

Puisque la densité (ρ) d’une substance est la masse totale (m) de cette substance divisée par le volume total (V) occupé par cette substance, il est évident que la densité d’une substance dépend fortement de sa masse atomique et aussi de la densité de numéro atomique (N; atomes/cm³),

• Poids atomique. La masse atomique est portée par le noyau atomique, qui n’occupe qu’environ 10^-12  du volume total de l’atome ou moins, mais il contient toute la charge positive et au moins 99,95 % de la masse totale de l’atome. Il est donc déterminé par le nombre de masse (nombre de protons et de neutrons).
• Densité de nombre atomique. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³), qui est associée aux rayons atomiques, est le nombre d’atomes d’un type donné par unité de volume (V; cm³) du matériau. La densité de numéro atomique (N; atomes/cm³) d’un matériau pur ayant un poids atomique ou moléculaire (M; grammes/mol) et la densité du matériau (⍴; gramme/cm³) est facilement calculée à partir de l’équation suivante en utilisant le nombre d’Avogadro (N_A = 6,022×10²³ atomes ou molécules par mole):
• Structure en cristal. La densité de la substance cristalline est significativement affectée par sa structure cristalline. La structure FCC, avec son parent hexagonal (hcp), a le facteur de tassement le plus efficace (74%). Les métaux contenant des structures FCC comprennent l’austénite, l’aluminium, le cuivre, le plomb, l’argent, l’or, le nickel, le platine et le thorium.

Propriétés mécaniques de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié

Les matériaux sont fréquemment choisis pour diverses applications car ils présentent des combinaisons souhaitables de caractéristiques mécaniques. Pour les applications structurelles, les propriétés des matériaux sont cruciales et les ingénieurs doivent en tenir compte.

Résistance de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié

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 faible teneur en carbone se situe entre 400 et 550 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’acier à très haute teneur en carbone est de 1100 MPa.

La résistance à la traction ultime de l’acier 41xx – l’acier chromoly dépend de certaines nuances, mais elle est d’environ 700 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 faible teneur en carbone est de 250 MPa.

La limite d’élasticité de l’acier à très haute teneur en carbone est de 800 MPa.

La limite d’élasticité de l’acier 41xx – l’acier chromoly dépend de certaines nuances, mais elle est d’environ 500 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 faible teneur en carbone est de 200 GPa.

Le module de Young acier 41xx – acier chromoly est de 205 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 au carbone par rapport à l’acier allié

La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 MPa.

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

La dureté Brinell de l’acier 41xx – acier chromoly est d’environ 200 MPa.

Le test de dureté Rockwell est l’un des tests de dureté par indentation les plus courants, qui a été développé pour les tests de dureté. Contrairement au test Brinell, le testeur Rockwell mesure la profondeur de pénétration d’un pénétrateur sous une charge importante (charge majeure) par rapport à la pénétration faite par une précharge (charge mineure). La charge mineure établit la position zéro. La charge majeure est appliquée, puis retirée tout en maintenant la charge mineure. La différence entre la profondeur de pénétration avant et après l’application de la charge principale est utilisée pour calculer le nombre de dureté Rockwell. C’est-à-dire que la profondeur de pénétration et la dureté sont inversement proportionnelles. Le principal avantage de la dureté Rockwell est sa capacité à afficher directement les valeurs de dureté. Le résultat est un nombre sans dimension noté HRA, HRB, HRC, etc., où la dernière lettre est l’échelle Rockwell respective.

Le test Rockwell C est réalisé avec un pénétrateur Brale (cône diamant 120°) et une charge majeure de 150kg.

Propriétés thermiques de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié

Les propriétés thermiques  des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur  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 qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.

Point de fusion de l’acier au carbone par rapport à l’acier allié

Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °C.

Le point de fusion de l’acier 41xx – acier chromoly est d’environ 1427 °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 au carbone par rapport à l’acier allié

La conductivité thermique de l’ acier typique  est de 20 W/(mK).

La conductivité thermique de l’acier 41xx – acier chromoly est d’environ 41 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.

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Voir ci-dessus:
Alliages