L'acier au carbone, connu pour sa résistance, sa durabilité et son prix abordable, est largement utilisé dans de nombreuses applications. Qu'il s'agisse des écrous de roue fixant les pneus de votre véhicule ou des poutres supportant les ponts que vous rencontrez, l'acier au carbone est fréquemment utilisé. De plus, il revêt une grande importance en tant que matériau dans le domaine industriel. Usinage CNC.
La classification de l'acier au carbone est généralement basée sur sa teneur en carbone, ce qui donne lieu à un acier à faible teneur en carbone, un acier à moyenne teneur en carbone et un acier à haute teneur en carbone. Ces classifications donnent un aperçu de leurs compositions respectives en carbone. Explorons maintenant ce que ces classifications signifient pour les caractéristiques de chaque type individuellement et connaissons leurs différences. Cet article abordera chaque type séparément avant de faire une comparaison entre eux.
Différence entre les aciers à faible, moyenne et haute teneur en carbone
Le fer et le carbone sont les principaux composants de l'acier, le carbone jouant un rôle crucial dans la résistance de l'alliage. Le fer pur manque de résistance ou de dureté significative, c'est pourquoi l'ajout de carbone est nécessaire pour améliorer ces propriétés dans l'acier.
La forme initiale de fer utilisée dans la production d’acier contient une teneur en carbone relativement élevée. Il peut atteindre jusqu'à 2,1%, qui est la quantité maximale de carbone permettant au matériau de conserver sa classification en acier.
Néanmoins, le fer peut subir un traitement supplémentaire pour réduire sa teneur en carbone. Cette manipulation de la teneur en carbone entraîne des modifications dans diverses propriétés des matériaux, telles que :
- Résistance : Il s'agit de la capacité d'un matériau à résister à une charge, qui est mesurée par sa limite d'élasticité et sa résistance à la traction. La limite d'élasticité représente le stade auquel la déformation se produit dans le matériau sans fracture, tandis que la résistance à la traction indique le niveau de contrainte nécessaire pour briser le matériau.
- Ductilité : mesure la mesure dans laquelle un matériau peut être étiré ou allongé sans devenir cassant. Cette propriété est évaluée par l'allongement, qui quantifie le pourcentage d'augmentation de longueur qu'un matériau peut subir avant d'atteindre le point de rupture.
- Dureté : Elle fait référence à la résistance d’un matériau à l’usure et à sa capacité à être usiné efficacement. Cette caractéristique est souvent évaluée à l'aide d'échelles telles que Dureté Rockwell échelle ou échelle de dureté Brinell.
La teneur en carbone de l'acier est généralement réduite pour le classer en trois catégories principales : acier à faible teneur en carbone (ou doux), moyen et à haute teneur en carbone.
- Acier à faible teneur en carbone: Ce type d'acier se caractérise par une faible teneur en carbone, ce qui lui confère une excellente soudabilité, malléabilité et ductilité. Il est largement utilisé dans les grandes structures telles que les ponts et les bâtiments, ainsi que dans les produits en fil métallique et les carrosseries automobiles. Il est facile de travailler avec et ne subit généralement pas traitement thermique.
- Acier au carbone moyen: Contrairement à l'acier à faible teneur en carbone, l'acier à teneur moyenne en carbone contient des niveaux plus élevés de carbone et de manganèse. Cela conduit à une résistance et une dureté accrues mais à une diminution de la ductilité. Il est couramment utilisé dans des applications telles que les pièces usinées, les voies ferrées et engrenages. L'acier au carbone moyen peut subir traitement thermique pour accroître sa force. Le soudage de l’acier à moyenne teneur en carbone est plus difficile que celui de l’acier à faible teneur en carbone. Il est très apprécié pour les applications de résistance moyenne.
- Acier à haute teneur en carbone: Cette catégorie possède la teneur en carbone la plus élevée parmi les trois, ce qui se traduit par une résistance et une dureté exceptionnelles. Cependant, il a tendance à être fragile et difficile à souder en raison de sa forte teneur en carbone. L'acier à haute teneur en carbone est fréquemment utilisé dans la construction d'outils, tels que les perceuses, les tarauds et les marteaux. Il est plus sujet aux fissures thermiques et difficile à souder en raison de sa teneur élevée en carbone.
La principale distinction entre ces trois types d'aciers au carbone réside dans leur teneur en carbone, ce qui entraîne des variations dans leurs caractéristiques respectives. Le tableau ci-dessous récapitule leur teneur en carbone et les propriétés correspondantes.
| Types d'acier au carbone | La teneur en carbone | Les caractéristiques |
| Acier à faible teneur en carbone | 0,05% à 0,32% | Ductile Malléable Difficile Facilement assemblé et soudé Mauvaise résistance à la corrosion |
| Acier au carbone moyen | 0,30% à 0,60% | Plus forte Plus fort Moins ductile Moins de malléabilité Bonne résistance à la corrosion |
| Acier à haute teneur en carbone | 0,60% à 1,7% | Très fort Très dur Mauvaise ductilité Mauvaise malléabilité Meilleure résistance à la corrosion |
Qu’est-ce que l’acier à faible teneur en carbone ?
L'acier à faible teneur en carbone, également appelé acier doux, contient une proportion de carbone relativement faible par rapport aux autres variantes d'acier. Généralement, sa teneur en carbone varie de 0,05% à 0,32% en poids. Par conséquent, l’acier à faible teneur en carbone présente une résistance, une dureté et une fragilité inférieures, tout en possédant une plus grande malléabilité et ductilité par rapport à l’acier à haute teneur en carbone.
L’un des avantages majeurs de l’acier doux est sa rentabilité. En raison de ses moindres besoins en carbone et autres éléments d’alliage, il est généralement moins cher que les autres types d’acier. De plus, l’acier doux est plus largement disponible et plus facile à travailler que les aciers à plus haute teneur en carbone, ce qui contribue à sa popularité dans une multitude d’applications.
Propriétés de l'acier à faible teneur en carbone
Bien que le point de fusion de l'acier à faible teneur en carbone reste relativement constant, chaque nuance possède des propriétés légèrement variées. Cependant, nous pouvons toujours fournir une gamme de valeurs pour offrir une compréhension générale des caractéristiques globales de ce matériau.
| Biens | Valeur |
| Densité | 0,103 – 0,292 lb/po³ |
| Résistance à la traction, Rendement | 20 300 à 347 000 psi |
| Résistance à la rupture | 30,0 – 105 ksi-po½ |
| Module de cisaillement | 10 200 – 11 600 ksi |
| Point de fusion | 2600°F |
| Conductivité thermique | 176 – 645 BTU-po/h-pi²-°F |
Nuances d'acier à faible teneur en carbone
Les États-Unis reconnaissent trois normes principales pour tous les aciers au carbone :
- ASTM International : Anciennement connue sous le nom d'American Society for Testing and Materials, cette organisation est responsable du développement et de la publication de normes techniques consensuelles volontaires à l'échelle internationale.
- AISI: L'American Iron and Steel Institute occupe une position de premier plan dans la promotion et l'application des nouvelles technologies de l'acier et de la fabrication de l'acier.
- SAE : Anciennement Society of Automotive Engineers, SAE International est une organisation qui se concentre sur l'élaboration de normes liées à l'ingénierie automobile.
Parmi ces trois normes, l’ASTM est la norme la plus couramment utilisée. À titre d'exemple, une norme spécifique dans le cadre ASTM est l'ASTM A307, qui spécifie les exigences relatives à l'acier au carbone. boulons, goujons et tiges filetées avec une résistance à la traction de 60 000 psi.
Au sein de cette norme, il existe deux grades :
- Grade A : Ce grade convient aux applications générales qui ne nécessitent pas une résistance élevée ou sont soumises à des contraintes minimes.
- Catégorie B : Conçu pour les applications où une résistance plus élevée est nécessaire, telles que les joints à brides dans les systèmes de tuyauterie.
Les normes jouent un rôle crucial en garantissant que les matériaux répondent aux critères de performance nécessaires pour les applications souhaitées. À l’inverse, les qualités sont des classifications spécifiques au sein de ces normes qui définissent plus en détail les propriétés et les caractéristiques du matériau.
Chaque qualité possède des attributs uniques déterminés par des facteurs tels que les propriétés mécaniques, la composition chimique et le traitement thermique. Par exemple, dans le tableau ci-dessous, vous observerez la même norme – SAE J403 – avec trois qualités différentes, reflétant la variation de la teneur en carbone entre ces qualités.
Le tableau ci-dessous résume certaines qualités d’acier à faible teneur en carbone couramment utilisées :
| Standard | Noter | Application |
| SAEJ403 | 1006 | Produits en fil métallique et attaches |
| SAEJ403 | 1008 | Tôle travail, composants automobileset produits en fil métallique |
| SAEJ403 | 1010 | Frappe à froid, composants automobiles et tôlerie |
| ASTM A36/A36M | A36 | De construction nuance d'acier utilisé dans les bâtiments, les ponts, les équipements de construction |
| ASTMA53/A53M | B | Applications structurelles et sous pression, telles que le transport d'eau et de gaz |
| ASTMA516/A516M | 70 | Chaudières et appareils à pression |
| ASTM A1011/A1011M | 33 | Tôlerie, composants automobiles et matériaux de construction |
| ASTMA513/A513M | 1010 | Pièces automobiles, composants de machines |
Types d'acier à faible teneur en carbone
Il existe différents types d'aciers à faible teneur en carbone, chacun avec des niveaux de teneur en carbone différents. Voici quelques exemples de différents types et leurs applications respectives :
| Taper | Industrie | Application |
| Acier de construction à faible teneur en carbone | Construction | Bâtiments, ponts |
| Tôles et bandes d'acier à faible teneur en carbone | Travaux de tôlerie | Panneaux de carrosserie automobile, appareils électroménagers et autres utilisations nécessitant un matériau fin et plat |
| Tubes et tuyauterie en acier à faible teneur en carbone | Construction, automobile, équipement lourd, pétrole et gaz | Tubes mécaniques, tuyaux pour le transport de fluides et tubes structurels |
| Acier pour récipients sous pression à faible teneur en carbone | Fabrication d'équipement lourd, de machines | Chaudières, récipients sous pression et autres utilisations où le matériau doit résister à des pressions internes élevées |
| Acier galvanisé à faible teneur en carbone | Construction, CVC, automobile | Toiture, panneaux de carrosserie automobile, conduits |
| Acier faiblement allié à haute résistance (HSLA) | Construction | Charpentes de construction, ponts et structures de support |
Applications de l'acier à faible teneur en carbone
Habituellement, l'acier à faible teneur en carbone subit un traitement thermique minimal et est couramment utilisé dans la production de diverses machines agricoles, composants de construction, conteneurs, boîtes et corps de four. Ce type d'acier est généralement façonné en acier d'angle, en acier à profilés, Je rayonne, tuyau d'acier, bande d'acier ou plaque d'acier.
Dans le cas de l'acier à faible teneur en carbone de haute qualité, il est laminé en plaques minces pour fabriquer des produits emboutis tels que des cabines d'automobile et des capots de moteur. De plus, il est également roulé en barres pour la production de pièces mécaniques nécessitant de faibles exigences de résistance.
Qu’est-ce que l’acier au carbone moyen ?
L'acier au carbone moyen contient généralement environ 0,3 à 0,61 teneur en carbone TP3T. Il comprend une majorité d'acier de construction au carbone de haute qualité ainsi que certains aciers de construction au carbone ordinaires. Ce type d'acier est principalement utilisé dans la fabrication de diverses pièces mécaniques, et certains sont utilisés dans l'ingénierie de composants structurels.
L'acier au carbone moyen présente des capacités de traitement thermique et de coupe favorables. Cependant, ses performances de soudage sont inférieures, nécessitant un préchauffage avant le soudage. Cet acier présente une résistance et une dureté plus élevées que l'acier à faible teneur en carbone, mais une plasticité et une ténacité inférieures à celles de l'acier doux. Le matériau laminé à froid ou étiré à froid peut être utilisé directement sans traitement thermique, bien qu'il puisse également subir un traitement thermique. Acier au carbone moyen qui subit une trempe et trempe démontre d’excellentes propriétés mécaniques globales.
Propriétés de l'acier au carbone moyen
Chaque nuance d'acier à carbone moyen possède des propriétés distinctes qui la distinguent des autres nuances de cette catégorie. Le tableau ci-dessous présente une plage de valeurs pour diverses propriétés associées à l'acier à teneur moyenne en carbone.
| Biens | Valeur |
| Densité | 0,280 – 0,285 lb/po³ |
| Résistance à la traction, Rendement | 35 500 à 252 000 livres par pouce carré |
| Résistance à la rupture | 73,7 – 130 ksi-po½ |
| Module de cisaillement | 10 400 – 11 900 ksi |
| Point de fusion | 2 597 à 2 800 °F |
| Conductivité thermique | 152 – 361 BTU-po/h-pi²-°F |
Nuances d'acier au carbone moyen
Les produits en acier à moyenne teneur en carbone sont conformes à des normes spécifiques, au sein desquelles différentes nuances sont classées. Vous trouverez ci-dessous des exemples de nuances d'acier à carbone moyen couramment utilisées et la norme correspondante à laquelle elles appartiennent :
| Standard | Noter | Application |
| SAEJ403 | 1045 | Engrenages, arbres, pièces de machines |
| SAEJ404 | 4140 | Engrenages, essieux, trains d'atterrissage d'avion et matériel de forage |
| ASTM A29 | 4140 | Engrenages, essieux et arbres |
| ASTMA829 | 4140 | Engrenages, essieux et équipement de forage |
| ASTMA434 | Classe BD (AISI/SAE 4140) | Boulons et autres attaches, bielles, engrenages et arbres |
| ASTM A29 | 1045 | Essieux, boulons, goujons et autres pièces de machines |
| ASTMA576 | 1045 | Boulons, goujons, accouplements, bagues, arbres et engrenages |
Types d'acier au carbone moyen
L'acier au carbone moyen englobe plusieurs types courants, chacun avec son propre ensemble d'applications. Voici quelques exemples de types d'acier à teneur moyenne en carbone et de leurs applications respectives :
| Taper | Industrie | Application |
| Acier de construction à teneur moyenne en carbone | Construction, fabrication | Bâtiments, ponts, équipements lourds |
| Tôle et feuillard d'acier au carbone moyen | Travaux de tôlerie | Pièces de machines, pièces automobiles |
| Tubes en carbone moyen et acier pour tuyauterie | Construction, automobile, équipement lourd | Tubes mécaniques, tuyaux pour fluide |
| Acier pour récipient à pression moyenne en carbone | Pétrole et gaz, agroalimentaire, pharmaceutique | Appareils à pression |
| Acier allié à carbone moyen | Automobile, Machinerie lourde | Engrenages, arbres, essieux, bielles |
| Acier trempé et revenu à teneur moyenne en carbone | Automobile, Construction, Machinerie lourde | Engrenages, essieux, transmissions, flèches de grue, bras d'excavation |
Applications de l'acier au carbone moyen
L'acier au carbone moyen est couramment utilisé dans la production de composants mobiles à haute résistance tels que les pistons de pompe, la vapeur roues de turbine, arbres de machines lourdes, vers, compresseurs d'air, engrenages et plus encore. Il est également utilisé dans la fabrication de pièces d'usure de surface, de vilebrequins, machine-outils broches, rouleaux, outils d'établi et autres articles similaires.
Qu’est-ce que l’acier à haute teneur en carbone ?
Acier à haute teneur en carbone, communément appelé acier à outils, possède une teneur en carbone qui varie généralement de 0,6 à 1,7%. Cette variante d'acier est reconnue pour son excellente résistance à la corrosion, du fait de sa teneur élevée en carbone. L'augmentation du carbone confère à l'acier une résistance à la traction, une dureté et une résistance à l'usure élevées, ce qui le rend bien adapté aux applications qui nécessitent une résistance et une résistance à l'usure supérieures.
Néanmoins, la teneur plus élevée en carbone rend ces aciers plus cassants et moins ductiles, les rendant susceptibles de se fissurer dans certaines circonstances. Le soudage des aciers à haute teneur en carbone présente des défis supplémentaires par rapport aux aciers à faible teneur en carbone, en raison du risque accru de fissuration et de fragilité dans la zone affectée par la chaleur.
Propriétés de l'acier à haute teneur en carbone
En raison des variations dans les normes et les nuances, il n'existe pas de valeur unique englobant les propriétés de l'acier à haute teneur en carbone. Cependant, ce qui suit fournit un large éventail de ce à quoi on peut s'attendre en termes de propriétés.
| Biens | Valeur |
| Densité | 0,0163 – 0,298 lb/po³ |
| Résistance à la traction, Rendement | 39 900 à 484 000 livres par pouce carré |
| Résistance à la rupture | 12,0 – 150 ksi-po½ |
| Module de cisaillement | 11 300 – 12 000 ksi |
| Point de fusion | 2 800-2 900°F |
| Conductivité thermique | 1 132 – 361 BTU-po/h-pi²-°F |
Nuances d'acier à haute teneur en carbone
Les nuances d'acier à haute teneur en carbone sont classées selon des normes spécifiques. Vous trouverez ci-dessous quelques-unes des qualités d’acier à haute teneur en carbone fréquemment utilisées :
| Standard | Noter | Application |
| ASTM A29/A29M | AISI/SAE 1060 | Ressorts, engrenages, essieux, composants de machines lourdes |
| ASTM A29/A29M | AISI/SAE 1065 | ressorts, outils de coupe, couteaux et lames industriels |
| ASTM A29/A29M | AISI/SAE 1070 | Ressorts, composants de suspension automobile, pièces de machines agricoles |
| ASTM A29/A29M | AISI/SAE 1080 | Ressorts robustes, composants automobiles, pièces de machinerie lourde |
| ASTMA295 | AISI/SAE 52100 | Acier à roulements utilisé dans la fabrication de roulements à billes et à rouleaux |
| ASTMA600 | AISI/SAE M2 | Acier à outils à grande vitesse utilisé pour les outils de coupe, perceuses et tarauds |
| ASTMA686 | AISI/SAE W2 | Acier à outils durcissant à l'eau utilisé pour les outils de coupe, meurt, les coups de poing et outils de travail du bois |
Types d'acier à haute teneur en carbone
Ce tableau comprend les types et les applications d'acier à haute teneur en carbone :
| Taper | Industrie | Application |
| Acier ordinaire à haute teneur en carbone | Industrie manufacturière, automobile, construction | Ressorts, couteaux, outils de coupe, composants de freins |
| Acier à outils à haute teneur en carbone | Fabrication, métallurgie, travail du bois | Outils de coupe, poinçons, matrices, moulage par injection outils, matrices d'extrusion, fraises |
| Acier à roulement à haute teneur en carbone | Machines industrielles, automobile, aérospatiale | Roulements à billes et à rouleaux pour moteurs; également, transmissions, roues, machinerie lourde, boîtes de vitesses, pompes |
| Haute teneur en carbone ressort en acier | Electronique, automobile, fabrication | Ressorts à lames, ressorts hélicoïdaux, machines, ressorts pour appareils électroniques |
Applications de l'acier à haute teneur en carbone
L'acier à haute teneur en carbone est principalement utilisé dans les applications qui exigent une durabilité et une résistance à l'usure exceptionnelles. Cela inclut la fabrication de lames de couteau ou de lames de scie, pour lesquelles la ténacité n'est pas une préoccupation majeure puisque ces composants ne sont pas soumis à des impacts importants susceptibles de provoquer leur rupture. En revanche, les composants structurels tels que les poutres en I, qui sont fabriqués à partir de matériaux à teneur moyenne ou faible en carbone, nécessitent des propriétés différentes pour résister aux charges et aux impacts qu'ils peuvent subir.
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Conclusion
Chaque nuance d'acier au carbone – faible, moyenne et élevée – possède des caractéristiques uniques qui les rendent adaptées à différentes applications, déterminées par leurs propriétés spécifiques et leurs exigences de soudage.
L'acier à faible teneur en carbone est largement reconnu comme la nuance la plus soudable en raison de sa ductilité relativement élevée, qui garantit des niveaux de résistance adéquats. Cela en fait un choix idéal pour les composants structurels tels que les poutres en I ou les structures porteuses similaires qui nécessitent une combinaison de résistance et de formabilité au sein d'un seul matériau.
D'autre part, les aciers à moyenne et haute teneur en carbone offrent une dureté et une résistance améliorées, mais présentent une formabilité et une ténacité faibles par rapport aux nuances à faible teneur en carbone. Ces propriétés se prêtent bien aux applications qui nécessitent une résistance supérieure à l’usure, telles que les outils comme les lames de scie et les couteaux, qui bénéficient d’une protection contre l’usure abrasive.
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