Comme on peut le voir sur la figure, le pourcentage de carbone présent et la température définissent la phase de l’alliage fer-carbone et donc ses caractéristiques physiques et ses propriétés mécaniques. Le pourcentage de carbone détermine le type d’alliage ferreux: fer, acier au carbone ou fonte.
Aciers
Les aciers sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. 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 sa capacité à être fortement altérée par le 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 basées sur la teneur en carbone.
Types d’aciers – Classification basée sur la composition
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Les applications typiques de l’acier à faible teneur en carbone comprennent les composants de carrosserie automobile, les formes structurelles (par exemple, les poutres en I, les profilés en U et les cornières) et les tôles utilisées dans les pipelines et les bâtiments. Acier. Les aciers sont des alliages fer-carbone qui peuvent contenir des concentrations appréciables d’autres éléments d’alliage. 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 le 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.
- Aciers 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 dans des quantités totales comprises entre 1,0 % et 50 % en poids pour améliorer ses propriétés mécaniques. Les aciers alliés sont répartis en deux groupes:
- Aciers faiblement alliés.
- Aciers fortement alliés.
- Acier inoxydable. Les aciers inoxydables sont définis comme des aciers à faible teneur en carbone contenant au moins 10 % de chrome avec ou sans autres éléments d’alliage. La solidité et la résistance à la corrosion en font souvent le matériau de choix dans les équipements de transport et de traitement, les pièces de moteur et les armes à feu. Le chrome augmente la dureté, la résistance et la résistance à la corrosion. Le nickel offre des avantages similaires mais ajoute de la dureté sans sacrifier la ductilité et la ténacité. Il réduit également la dilatation thermique pour une meilleure stabilité dimensionnelle.
Fers moulés
Dans l’ingénierie des matériaux, les fontes sont une classe d’alliages ferreux avec une teneur en carbone supérieure à 2,14 % en poids. En règle générale, les fontes contiennent de 2,14 % en poids à 4,0 % en poids de carbone et de 0,5 % en poids à 3 % en poids de silicium. Les alliages de fer à faible teneur en carbone sont connus sous le nom d’ acier. La différence est que les fontes peuvent profiter de la solidification eutectique dans le système binaire fer-carbone. Le terme eutectique est grec pour «fusion facile ou bien», et le point eutectique représente la composition sur le diagramme de phase où la température de fusion la plus basse est atteinte. Pour le système fer-carbone, le point eutectique se produit à une composition de 4,26 % en poids C et à une température de 1148 °C.
La fonte a donc un point de fusion plus bas (entre environ 1150 °C et 1300 °C) que l’acier traditionnel, ce qui la rend plus facile à couler que les aciers standards. En raison de sa grande fluidité lorsqu’il est fondu, le fer liquide remplit facilement des moules complexes et peut former des formes complexes. La plupart des applications nécessitent très peu de finition, de sorte que les fontes sont utilisées pour une grande variété de petites pièces ainsi que de grandes. C’est un matériau idéal pour le moulage au sable dans des formes complexes telles que les collecteurs d’échappement sans nécessiter d’usinage supplémentaire approfondi. De plus, certaines fontes sont très cassantes et la coulée est la technique de fabrication la plus pratique. Fers moulés sont devenus un matériau d’ingénierie avec une large gamme d’applications et sont utilisés dans les tuyaux, les machines et les pièces de l’industrie automobile, telles que les culasses, les blocs-cylindres et les carters de boîtes de vitesses. Il résiste aux dommages causés par l’oxydation.
Types de fontes
Les fontes comprennent également une grande famille de fers différents, selon la façon dont la phase riche en carbone se forme lors de la solidification. La microstructure des fontes peut être contrôlée pour fournir des produits qui ont une excellente ductilité, une bonne usinabilité, un excellent amortissement des vibrations, une excellente résistance à l’usure et une bonne conductivité thermique. Avec un alliage approprié, la résistance à la corrosion des fontes peut égaler celle des aciers inoxydables et des alliages à base de nickel dans de nombreux services. Pour la plupart des fontes, le carbone existe sous forme de graphite, et la microstructure et le comportement mécanique dépendent de la composition et du traitement thermique. Les types de fonte les plus courants sont:
- Fonte grise. La fonte grise est le type de fonte le plus ancien et le plus courant. La fonte grise se caractérise par sa microstructure graphitique, qui fait que les ruptures du matériau ont un aspect gris. Cela est dû à la présence de graphite dans sa composition. Dans la fonte grise, le graphite se présente sous forme de flocons, prenant une géométrie tridimensionnelle.
- Fonte blanche. Les fontes blanches sont dures, cassantes et inusinables, tandis que les fontes grises à graphite plus tendre sont raisonnablement solides et usinables. Une surface de rupture de cet alliage a un aspect blanc et est donc appelée fonte blanche.
- Fonte malléable. La fonte malléable est une fonte blanche qui a été recuite. Grâce à un traitement thermique de recuit, la structure fragile de la première coulée est transformée en une forme malléable. Par conséquent, sa composition est très similaire à celle de la fonte blanche, avec des quantités légèrement supérieures de carbone et de silicium.
- Fonte ductile. La fonte ductile, également connue sous le nom de fonte nodulaire, est très similaire à la fonte grise dans sa composition, mais lors de la solidification, le graphite se nuclée sous forme de particules sphériques (nodules) dans la fonte ductile, plutôt que sous forme de flocons. La fonte ductile est plus solide et plus résistante aux chocs que la fonte grise. En effet, la fonte ductile a des caractéristiques mécaniques proches de celles de l’acier, tout en conservant une grande fluidité à la fusion et un point de fusion plus bas.
Propriétés de l’acier par rapport au fer
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 par rapport au fer
La densité de l’ acier typique est de 8,05 g/cm3.
La densité de la fonte typique est de 7,03 g/cm3.
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 (NA = 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 par rapport au fer
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 contre le fer
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 la fonte grise (ASTM A48 classe 40) est de 295 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 350 MPa.
Résistance à la traction ultime de la fonte malléable – ASTM A220 est de 580 MPa.
La résistance à la traction ultime de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est de 414 Mpa (>60 ksi).
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 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 de la fonte grise (ASTM A48 Classe 40) est de 124 GPa.
Le module de Young de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 175 GPa.
Le module de Young de la fonte malléable – ASTM A220 est de 172 GPa.
Le module de Young de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est de 170 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 par rapport au fer
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 la fonte grise (ASTM A48 classe 40) est d’environ 235 MPa.
La dureté Brinell de la fonte grise de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est d’environ 600 MPa.
La dureté Brinell de la fonte malléable – ASTM A220 est d’environ 250 MPa.
La dureté Brinell de la fonte ductile – ASTM A536 – 60-40-18 est d’environ 150 – 180 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 par rapport au fer
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de leur thermodynamics/thermodynamic-properties/what-is-temperature-physics/ »>température et à l’application de chaleur. Lorsqu’un solide absorbe de thermodynamics/what-is-energy-physics/ »>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 contre le fer
Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °C.
Le point de fusion de la fonte grise – Acier ASTM A48 est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte malléable – ASTM A220 est d’environ 1260 °C.
Le point de fusion de la fonte ductile – Acier ASTM A536 – 60-40-18 est d’environ 1150 °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 par rapport au fer
La conductivité thermique de l’ acier typique est de 20 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte grise – ASTM A48 est de 53 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte blanche martensitique (ASTM A532 Classe 1 Type A) est de 15 à 30 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte malléable est d’environ 40 W/(mK).
La conductivité thermique de la fonte ductile est de 36 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.
Voir ci-dessus:
Alliages
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