L’acier à outils fait référence à une variété d’ aciers au carbone et alliés particulièrement adaptés à la fabrication d’ outils (poinçons, matrices, moules, outils de découpe, de découpage, de formage, d’emboutissage, de direction et de refendage). Leur aptitude vient de leur dureté distinctive, de leur résistance à l’abrasion et à la déformation, et de leur capacité à maintenir un tranchant à des températures élevées. Avec une teneur en carbone comprise entre 0,5% et 1,5%, les aciers à outils sont fabriqués dans des conditions soigneusement contrôlées pour produire la qualité requise. La présence de carbures dans leur matrice joue un rôle prépondérant dans les qualités des aciers à outils.
Ils sont généralement regroupés en deux classes:
- Aciers au carbone simples contenant un pourcentage élevé de carbone, environ 0,80-1,50 %
- Aciers à outils alliés, dans lesquels d’autres éléments (chrome, molybdène, vanadium, tungstène et cobalt) sont ajoutés pour fournir une plus grande résistance, ténacité, résistance à la corrosion et à la chaleur de l’acier.
L’un des sous-groupes d’aciers à outils est les aciers rapides (HSS), qui ont été nommés principalement pour leur capacité à usiner et couper des matériaux à grande vitesse (dureté à chaud élevée). Il est souvent utilisé dans les lames de scies électriques et les forets. Ce groupe d’aciers à outils est décrit dans un article séparé.
Agents d’alliage dans les aciers à outils alliés
Le fer pur est trop mou pour être utilisé à des fins de structure, mais l’ajout de petites quantités d’autres éléments (carbone, manganèse ou silicium par exemple) augmente fortement sa résistance mécanique. L’effet synergique des éléments d’alliage et du traitement thermique produit une grande variété de microstructures et de propriétés. Les quatre principaux éléments d’alliage qui forment les carbures dans l’acier à outils et à matrices sont : le tungstène, le chrome, le vanadium et le molybdène. Ces éléments d’alliage se combinent avec le carbone pour former des composés de carbure très durs et résistants à l’usure.
- Tungstène. Produit des carbures stables et affine la granulométrie afin d’augmenter la dureté, en particulier à haute température. Le tungstène est largement utilisé dans les aciers à outils rapides et a été proposé comme substitut du molybdène dans les aciers ferritiques à activation réduite pour les applications nucléaires.
- Chrome. Le chrome augmente la dureté, la résistance et la résistance à la corrosion. L’effet de renforcement de la formation de carbures métalliques stables aux joints de grains et la forte augmentation de la résistance à la corrosion ont fait du chrome un matériau d’alliage important pour l’acier. De manière générale, la concentration spécifiée pour la plupart des grades est d’environ 4 %. Ce niveau semble donner le meilleur équilibre entre dureté et ténacité. Le chrome joue un rôle important dans le mécanisme de durcissement et est considéré comme irremplaçable. À des températures plus élevées, le chrome contribue à une résistance accrue. Il est habituellement utilisé pour des applications de cette nature en conjonction avec du molybdène.
- Molybdène. Le molybdène (environ 0,50 à 8,00 %) lorsqu’il est ajouté à un acier à outils le rend plus résistant aux hautes températures. Le molybdène augmente la trempabilité et la résistance, en particulier à des températures élevées en raison du point de fusion élevé du molybdène. Le molybdène est unique dans la mesure où il augmente les résistances à la traction et au fluage à haute température de l’acier. Elle retarde beaucoup plus la transformation de l’austénite en perlite que la transformation de l’austénite en bainite; ainsi, la bainite peut être produite par refroidissement continu d’aciers contenant du molybdène.
- Vanadium. Le vanadium est généralement ajouté à l’acier pour inhiber la croissance des grains pendant le traitement thermique. En contrôlant la croissance des grains, il améliore à la fois la résistance et la ténacité des aciers trempés et revenus. La taille du grain détermine les propriétés du métal. Par exemple, une taille de grain plus petite augmente la résistance à la traction et tend à augmenter la ductilité. Une taille de grain plus grande est préférée pour améliorer les propriétés de fluage à haute température.
Exemple d’acier à outils – acier A2
L’acier à outils A2 est un acier pour travail à froid trempant à l’air du groupe A contenant du molybdène et du chrome. L’acier A2 contient 5% d’acier au chrome qui offre une dureté élevée après traitement thermique avec une bonne stabilité dimensionnelle. La teneur en carbone des aciers à outils A2 est élevée. A2 offre une bonne ténacité avec une résistance à l’usure moyenne et est relativement facile à usiner. L’acier à outils A2 peut être utilisé dans de nombreuses applications qui nécessitent une bonne résistance à l’usure ainsi qu’une bonne ténacité.
Résumé
| Nom | Acier à outils |
| Phase à STP | N/A |
| Densité | 7810 kg/m3 |
| Résistance à la traction ultime | 1860 MPa |
| Limite d’élasticité | 1400 MPa |
| Module de Young | 200 GPa |
| Dureté Brinell | 630 BHN |
| Point de fusion | 1420 °C |
| Conductivité thermique | 26 W/mK |
| Capacité thermique | 465 J/gK |
| Prix | 2 $/kg |
Applications typiques pour l’acier A2:
- Matrices de formage
- Découpeuses
- Jauges
- Lames de cisaillement
- Outils de découpage
- Poinçon meurt
91%
1%
5%
Propriétés de l’acier à outils – acier A2
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.
Propriétés mécaniques de l’acier à outils – Acier A2
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 à outils – Acier A2
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
Résistance à la traction ultime de l’acier à outils – L’acier A2 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 1860 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
Limite d’élasticité de l’acier à outils – L’acier A2 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 1400 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 outils – acier A2 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 outils – Acier A2
Dureté Rockwell de l’acier à outils – L’acier A2 dépend du processus de traitement thermique, mais il est d’environ 60 HRC.
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 à outils – Acier A2
Les propriétés thermiques des matériaux font référence à la réponse des matériaux aux changements de 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 à outils – Acier A2
Le point de fusion de l’acier à outils – l’acier A2 est d’environ 1420°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 outils – Acier A2
La conductivité thermique de l’acier à outils – acier A2 est de 26 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 gaz), 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:
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