Pièces en acier au carbone
L'acier au carbone est un acier dont la teneur en carbone varie d'environ 0,05 à 3,8 pour cent en poids.La définition de l’acier au carbone de l’American Iron and Steel Institute (AISI) indique :
1. aucune teneur minimale n'est spécifiée ou requise pour le chrome, le cobalt, le molybdène, le nickel, le niobium, le titane, le tungstène, le vanadium, le zirconium ou tout autre élément à ajouter pour obtenir l'effet d'alliage souhaité ;
2. le minimum spécifié pour le cuivre ne dépasse pas 0,40 pour cent ;
3. ou la teneur maximale spécifiée pour l'un des éléments suivants n'excède pas les pourcentages indiqués : manganèse 1,65 pour cent ;silicium 0,60 pour cent ;cuivre 0,60 pour cent.
Le terme acier au carbone peut également être utilisé en référence à un acier qui n'est pas de l'acier inoxydable ;dans cette utilisation, l'acier au carbone peut inclure des aciers alliés.L'acier à haute teneur en carbone a de nombreuses utilisations différentes, telles que les fraiseuses, les outils de coupe (tels que les ciseaux) et les fils à haute résistance.Ces applications nécessitent une microstructure beaucoup plus fine, ce qui améliore la ténacité.
À mesure que la teneur en carbone augmente, l’acier a la capacité de devenir plus dur et plus résistant grâce au traitement thermique ;cependant, il devient moins ductile.Quel que soit le traitement thermique, une teneur en carbone plus élevée réduit la soudabilité.Dans les aciers au carbone, la teneur plus élevée en carbone abaisse le point de fusion.
Le but du traitement thermique de l'acier au carbone est de modifier les propriétés mécaniques de l'acier, généralement la ductilité, la dureté, la limite d'élasticité ou la résistance aux chocs.A noter que les conductivités électrique et thermique ne sont que légèrement altérées.Comme pour la plupart des techniques de renforcement de l'acier, le module d'Young (élasticité) n'est pas affecté.Tous les traitements de l’acier échangent la ductilité pour une résistance accrue et vice versa.Le fer a une solubilité plus élevée pour le carbone dans la phase austénitique ;par conséquent, tous les traitements thermiques, à l'exception de la sphéroïdisation et du recuit de procédé, commencent par chauffer l'acier à une température à laquelle la phase austénitique peut exister.L'acier est ensuite trempé (étirage thermique) à un taux modéré à faible, permettant au carbone de se diffuser hors de l'austénite, formant du carbure de fer (cémentite) et laissant de la ferrite, ou à un taux élevé, piégeant le carbone dans le fer formant ainsi de la martensite. .La vitesse à laquelle l'acier est refroidi à travers la température eutectoïde (environ 727 °C) affecte la vitesse à laquelle le carbone se diffuse hors de l'austénite et forme de la cémentite.D'une manière générale, un refroidissement rapide laissera le carbure de fer finement dispersé et produira une perlite à grain fin et un refroidissement lent donnera une perlite plus grossière.Le refroidissement d'un acier hypoeutectoïde (moins de 0,77 % en poids de C) entraîne une structure lamellaire-perlitique de couches de carbure de fer avec de la ferrite α (fer presque pur) entre elles.S'il s'agit d'acier hypereutectoïde (plus de 0,77 % en poids de C), alors la structure est entièrement perlite avec de petits grains (plus gros que la lamelle de perlite) de cémentite formés aux joints de grains.Un acier eutectoïde (0,77 % de carbone) aura une structure perlitique dans tous les grains sans cémentite aux limites.Les quantités relatives de constituants sont déterminées à l'aide de la règle du levier.Voici une liste des types de traitements thermiques possibles.
L'acier allié est un acier allié à une variété d'éléments en quantités totales comprises entre 1,0 % et 50 % en poids pour améliorer ses propriétés mécaniques.Les aciers alliés sont divisés en deux groupes : les aciers faiblement alliés et les aciers fortement alliés.La différence entre les deux est contestée.Smith et Hashemi définissent la différence à 4,0 %, tandis que Degarmo et al. la définissent à 8,0 %.Le plus souvent, l'expression « acier allié » fait référence aux aciers faiblement alliés.
À proprement parler, tout acier est un alliage, mais tous les aciers ne sont pas appelés « aciers alliés ».Les aciers les plus simples sont le fer (Fe) allié au carbone (C) (environ 0,1 % à 1 %, selon le type).Cependant, le terme « acier allié » est le terme standard désignant les aciers avec d'autres éléments d'alliage ajoutés délibérément en plus du carbone.Les alliages courants comprennent le manganèse (le plus courant), le nickel, le chrome, le molybdène, le vanadium, le silicium et le bore.Les alliages moins courants comprennent l'aluminium, le cobalt, le cuivre, le cérium, le niobium, le titane, le tungstène, l'étain, le zinc, le plomb et le zirconium.
Voici une gamme de propriétés améliorées des aciers alliés (par rapport aux aciers au carbone) : résistance, dureté, ténacité, résistance à l'usure, résistance à la corrosion, trempabilité et dureté à chaud.Pour obtenir certaines de ces propriétés améliorées, le métal peut nécessiter un traitement thermique.
Certains d’entre eux trouvent des applications dans des applications exotiques et très exigeantes, comme dans les aubes de turbine des moteurs à réaction et dans les réacteurs nucléaires.En raison des propriétés ferromagnétiques du fer, certains alliages d'acier trouvent des applications importantes où leurs réponses au magnétisme sont très importantes, notamment dans les moteurs électriques et les transformateurs.
Sphéroïdisation
La sphéroïdite se forme lorsque l'acier au carbone est chauffé à environ 700 °C pendant plus de 30 heures.La sphéroïdite peut se former à des températures plus basses, mais le temps nécessaire augmente considérablement, car il s'agit d'un processus contrôlé par diffusion.Le résultat est une structure de bâtonnets ou de sphères de cémentite au sein d'une structure primaire (ferrite ou perlite, selon le côté de l'eutecoïde sur lequel vous vous trouvez).Le but est d’adoucir les aciers à plus haute teneur en carbone et de permettre une plus grande formabilité.Il s’agit de la forme d’acier la plus douce et la plus ductile.
Recuit complet
L'acier au carbone est chauffé à environ 40 °C au-dessus de Ac3 ou Acm pendant 1 heure ;cela garantit que toute la ferrite se transforme en austénite (bien que la cémentite puisse encore exister si la teneur en carbone est supérieure à l'eutecoïde).L'acier doit ensuite être refroidi lentement, aux alentours de 20 °C (36 °F) par heure.Habituellement, il s'agit simplement d'un four refroidi, où le four est éteint avec l'acier toujours à l'intérieur.Il en résulte une structure perlitique grossière, ce qui signifie que les « bandes » de perlite sont épaisses.L'acier entièrement recuit est doux et ductile, sans contraintes internes, ce qui est souvent nécessaire pour un formage rentable.Seul l'acier sphéroïdisé est plus doux et plus ductile.
Processus de recuit
Processus utilisé pour soulager les contraintes dans un acier au carbone écroui à moins de 0,3 % C. L'acier est généralement chauffé à 550–650 °C pendant 1 heure, mais parfois à des températures pouvant atteindre 700 °C.L'image vers la droite [clarification nécessaire] montre la zone où se produit le processus de recuit.
Recuit isotherme
Il s'agit d'un processus dans lequel l'acier hypoeutectoïde est chauffé au-dessus de la température critique supérieure.Cette température est maintenue pendant un certain temps, puis réduite en dessous de la température critique inférieure et est à nouveau maintenue.Il est ensuite refroidi à température ambiante.Cette méthode élimine tout gradient de température.
Normalisation
L'acier au carbone est chauffé à environ 55 °C au-dessus de Ac3 ou Acm pendant 1 heure ;cela garantit que l'acier se transforme complètement en austénite.L'acier est ensuite refroidi à l'air, ce qui correspond à une vitesse de refroidissement d'environ 38 °C (100 °F) par minute.Il en résulte une structure perlitique fine et une structure plus uniforme.L'acier normalisé a une résistance supérieure à celle de l'acier recuit ;il a une résistance et une dureté relativement élevées.
Trempe
L'acier au carbone contenant au moins 0,4 % en poids de C est chauffé à des températures de normalisation, puis rapidement refroidi (trempé) dans de l'eau, de la saumure ou de l'huile jusqu'à la température critique.La température critique dépend de la teneur en carbone, mais en règle générale elle diminue à mesure que la teneur en carbone augmente.Il en résulte une structure martensitique ;une forme d'acier qui possède une teneur en carbone sursaturée dans une structure cristalline cubique déformée centrée sur le corps (BCC), proprement appelée tétragonale centrée sur le corps (BCT), avec beaucoup de contraintes internes.Ainsi, l'acier trempé est extrêmement dur mais cassant, généralement trop fragile pour des usages pratiques.Ces contraintes internes peuvent provoquer des fissures de contrainte en surface.L'acier trempé est environ trois fois plus dur (quatre avec plus de carbone) que l'acier normalisé.
Martempering (martempérage)
Le martempering n'est pas réellement une procédure de trempe, d'où le terme de marquage.Il s'agit d'une forme de traitement thermique isotherme appliqué après une trempe initiale, généralement dans un bain de sels fondus, à une température juste au-dessus de la « température de départ de la martensite ».A cette température, les contraintes résiduelles au sein du matériau sont relâchées et de la bainite peut se former à partir de l'austénite retenue qui n'a pas eu le temps de se transformer en autre chose.Dans l'industrie, il s'agit d'un procédé utilisé pour contrôler la ductilité et la dureté d'un matériau.Avec un marquage plus long, la ductilité augmente avec une perte de résistance minimale ;l'acier est maintenu dans cette solution jusqu'à ce que les températures intérieure et extérieure de la pièce s'égalisent.Ensuite, l'acier est refroidi à une vitesse modérée pour maintenir le gradient de température au minimum.Non seulement ce processus réduit les contraintes internes et les fissures de contrainte, mais il augmente également la résistance aux chocs.
Trempe
Il s’agit du traitement thermique le plus courant, car les propriétés finales peuvent être déterminées avec précision par la température et la durée du revenu.La trempe consiste à réchauffer l'acier trempé à une température inférieure à la température eutectoïde, puis à le refroidir.La température élevée permet la formation de très petites quantités de sphéroïdite, ce qui restaure la ductilité, mais réduit la dureté.Les températures et durées réelles sont soigneusement choisies pour chaque composition.
Trempe austère
Le processus de trempe est le même que le trempe marbrée, sauf que la trempe est interrompue et que l'acier est maintenu dans le bain de sels fondus à des températures comprises entre 205 °C et 540 °C, puis refroidi à une vitesse modérée.L'acier obtenu, appelé bainite, produit une microstructure aciculaire dans l'acier qui présente une grande résistance (mais inférieure à la martensite), une plus grande ductilité, une résistance aux chocs plus élevée et moins de distorsion que l'acier martensite.L’inconvénient de la trempe austable est qu’elle ne peut être utilisée que sur quelques aciers et qu’elle nécessite un bain de sel spécial.
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