Qu’est-ce que l’acier rapide – HSS – Définition

Les aciers rapides, abrégés en HSS, sont une classe spécialisée d’ aciers à outils qui ont été nommés principalement pour leur capacité à usiner et à couper des matériaux à grande vitesse (dureté à chaud élevée). Il est souvent utilisé dans les lames de scies électriques et les forets. L’acier rapide est supérieur aux anciens outils en acier à haute teneur en carbone en ce sens qu’il peut résister à des températures plus élevées sans perdre son humeur (dureté). Les aciers rapides sont des alliages complexes à base de fer de carbone, de chrome, de vanadium, de molybdène ou de tungstène, ou des combinaisons de ceux-ci. Pour obtenir de bonnes performances de coupe du HSS, une réponse de durcissement appropriée doit être fournie lors du traitement thermique.

La réponse de durcissement obtenue au cours du processus de traitement thermique est au cœur des performances des aciers rapides. Les éléments d’alliage sont introduits en quantités données par l’application visée et par leur fonction dans le processus de traitement thermique, que ce soit pour augmenter la température de solidus ou inhiber la croissance des précipités de durcissement secondaire, permettant une température de fonctionnement plus élevée.

Acier rapide – AISI M2

Par exemple, l’acier rapide au molybdène – AISI M2 est le HSS industriel « standard » et le plus utilisé. Les aciers rapides au molybdène sont désignés comme aciers du groupe M selon le système de classification AISI. M2 HSS a des carbures petits et uniformément répartis offrant une résistance élevée à l’usure, bien que sa sensibilité à la décarburation soit un peu élevée. Il est généralement utilisé pour fabriquer une variété d’outils, tels que des forets, des tarauds et des alésoirs.

Résumé

Nom	Acier rapide
Phase à STP	N/A
Densité	78160 kg/m3
Résistance à la traction ultime	1200 MPa
Limite d’élasticité	1000 MPa
Module de Young	200 GPa
Dureté Brinell	720 BHN
Point de fusion	1430 °C
Conductivité thermique	41 W/mK
Capacité thermique	470 J/g·K
Prix	8 $/kg

Les teneurs en carbone et en alliage sont équilibrées à des niveaux suffisants pour fournir une réponse de durcissement élevée, une excellente résistance à l’usure, une résistance élevée aux effets de ramollissement des températures élevées et une bonne ténacité pour une utilisation efficace dans les applications de coupe industrielles. Le nitrure de titane (un matériau céramique extrêmement dur) ou les revêtements en carbure de titane peuvent être utilisés dans les outils fabriqués à partir de ce type d’acier par un procédé de dépôt physique en phase vapeur pour améliorer les performances et la durée de vie de l’outil. TiN a une dureté Vickers de 1800–2100 et il a une couleur or métallique.

Agents d’alliage dans les aciers rapides

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 les aciers rapides 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. La microstructure des aciers rapides est constitué d’une matrice martensitique avec une dispersion de deux ensembles de carbures. Ces carbures sont généralement appelés carbures primaires et secondaires. Les carbures primaires sont les carbures formés lors de la solidification de l’acier. Les carbures secondaires sont les carbures formés lors du traitement thermique de durcissement secondaire des aciers.

• 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. L’ajout d’environ 10 % de tungstène et de molybdène au total maximise efficacement la dureté et la ténacité des aciers rapides et maintient ces propriétés aux températures élevées générées lors de la coupe des métaux. Le tungstène et le molybdène sont interchangeables au niveau atomique et favorisent tous deux la résistance au revenu, ce qui améliore les performances de coupe de l’outil à des températures plus élevées.
• 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. Le vanadium est ajouté pour favoriser la résistance à l’abrasion et produire des carbures durs et stables qui, n’étant que partiellement solubles, libèrent peu de carbone dans la matrice.

Propriétés de l’acier rapide au molybdène – AISI M2

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 rapide – AISI M2

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 rapide – AISI M2

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 rapide – AISI M2 dépend du processus de traitement thermique, mais elle est d’environ 1200 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 rapide – AISI M2 dépend du processus de traitement thermique, mais elle est d’environ 1000 MPa. La limite d’élasticité en compression est d’environ 3250 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 rapide – AISI M2 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 rapide – AISI M2

La dureté Rockwell de l’acier rapide – AISI M2 dépend du processus de traitement thermique, mais elle est d’environ 65 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 rapide – AISI M2

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 rapide – AISI M2

Le point de fusion de l’acier rapide – acier AISI M2 est d’environ 1430°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 rapide – AISI M2

La conductivité thermique de l’acier rapide – AISI M2 est de 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 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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