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.
Prix de l’acier au carbone
Il est difficile de connaître le coût exact des différents matériaux car il dépend fortement de nombreuses variables telles que:
- le type de produit que vous souhaitez acheter
- le montant du produit
- le type exact de matériel
Les prix des matières premières changent quotidiennement. Ils dépendent principalement de l’offre, de la demande et des prix de l’énergie.
Cependant, en règle générale, les aciers inoxydables coûtent quatre à cinq fois plus cher que l’acier au carbone en coûts de matériaux. L’acier au carbone coûte environ 500 $/tonne, tandis que l’acier inoxydable coûte environ 2 000 $/tonne. Plus l’acier contient d’éléments d’alliage, plus il est cher. Sur la base de cette règle, il est logique de supposer que l’acier inoxydable austénitique 316L et l’acier inoxydable martensitique 13 % Cr coûteront moins cher que les aciers inoxydables duplex 22 % Cr et 25 % Cr. Les aciers à base de nickel coûteraient probablement au moins environ le prix des aciers inoxydables duplex. Il existe évidemment de nombreux types d’aciers à faible teneur en carbone et un large éventail d’évaluations d’aciers inoxydables dont les coûts changent énormément. Par exemple, l’Inconel 600 (marque déposée de Special Metals), qui fait partie d’une famille de superalliages austénitiques à base de nickel-chrome, coûte environ 40 000 $/tonne.
Propriétés de l’acier au carbone
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 au carbone
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
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 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 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 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
La dureté Brinell de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 120 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.
Propriétés thermiques de l’acier au 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 qui sont souvent critiques dans l’utilisation pratique des solides.
Point de fusion de l’acier au carbone
Le point de fusion de l’acier à faible teneur en carbone est d’environ 1450 °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
L’acier à faible teneur en carbone est une substance multi-éléments, principalement du fer, avec des ajouts de carbone et d’impuretés. La conductivité thermique du fer forgé est d’environ 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 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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Ashby, Michael; Hugh Shercliff; David Cebon (2007). Matériaux: ingénierie, science, traitement et conception (1ère éd.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-7506-8391-3.
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