Qu’est-ce que le carbone dans l’acier ? Contenu, qualités et guide de forgeage

Le carbone est le seul élément qui sépare le fer ordinaire de l'acier, et la quantité présente, généralement entre 0,05% et 2,0% en poids , décide de presque tout sur le comportement d'une pièce d'acier sous la charge, la chaleur et un marteau de forge. Augmentez le pourcentage de carbone et le métal gagne en dureté et en résistance à la traction mais perd en ductilité et en soudabilité ; abaissez-le et l'acier reste souple, formable et facile à souder, mais ne peut pas conserver un bord dur ou une résistance élevée sans l'aide d'éléments d'alliage. Chaque certificat d'usine, chaque dessin de forgeage et chaque désignation de qualité telle que 1045 ou 4140 remontent à ce rapport unique.

Ce que fait réellement le carbone à l’intérieur de l’acier

Le fer à lui seul est un métal mou et relativement faible. Lorsque des atomes de carbone sont introduits lors de la fusion, ils se logent entre les atomes de fer dans le réseau cristallin et forment un composé appelé cémentite (carbure de fer, Fe3C) aux côtés d'une solution solide appelée ferrite. L’équilibre entre ces deux microstructures, puis plus tard entre la perlite, la martensite et la bainite après traitement thermique, donne à l’acier sa personnalité mécanique.

Une façon utile de l’imaginer : la ferrite est la partie molle, magnétique et facilement pliée de la structure, tandis que la cémentite est dure et cassante. À mesure que la teneur en carbone augmente, davantage de cémentite se forme et la dureté de l'acier augmente selon une courbe assez prévisible. Les métallurgistes suivent cette relation depuis le début du XXe siècle et elle reste aujourd'hui la base du diagramme de phases fer-carbone utilisé dans chaque classe de métallurgie.

Pourquoi la teneur en carbone est mesurée en fractions de pourcentage

Parce que l'effet du carbone est si fort, des différences aussi minimes que 0,10% modifier la classification d'un acier et son application appropriée. Un acier 1020 (0,20 % de carbone) ne se comporte en rien comme un acier 1095 (0,95 % de carbone), même si les deux sont techniquement des aciers au carbone ordinaires. C'est pourquoi les producteurs d'acier déclarent la teneur en carbone au centième de pour cent dans les rapports d'essais des usines plutôt que de l'arrondir au nombre entier le plus proche.

Classements de l'acier au carbone par pourcentage

Les aciers au carbone ordinaires sont regroupés en quatre grandes familles en fonction de leur teneur en carbone. Chaque famille a un ensemble distinct d'utilisations typiques, et les forgerons sélectionnent parmi elles en fonction de l'équilibre entre résistance, ténacité et usinabilité requis par la pièce finie.

Ci-dessus à peu près 2,0% de carbone , le matériau n'est plus du tout classé comme acier ; il devient de la fonte, qui est beaucoup plus fragile et est façonnée par moulage plutôt que par forgeage ou laminage.

Comment la teneur en carbone modifie les propriétés mécaniques

La relation entre le carbone et les performances mécaniques est l’une des tendances les plus constantes de l’ingénierie des matériaux. À mesure que le pourcentage de carbone augmente, quatre propriétés évoluent dans une direction prévisible :

• La dureté augmente — plus de cémentite dans la microstructure résiste à l'indentation et à l'abrasion.
• La résistance à la traction augmente — jusqu'à un certain point, du carbone supplémentaire permet à l'acier de supporter plus de charge avant la rupture.
• La ductilité chute — l'acier se plie et s'étire moins avant de se fissurer, donc le formage à froid devient plus difficile.
• La soudabilité chute — les aciers à plus haute teneur en carbone sont plus sujets à la fissuration dans la zone affectée thermiquement à moins d'être préchauffés et contrôlés soigneusement.

C'est pourquoi un arbre d'essieu automobile forgé, qui a besoin à la fois de résistance et de capacité à absorber les chocs sans se briser, utilise généralement une qualité de carbone moyenne telle que 1045 plutôt que d'opter pour un acier à haute teneur en carbone qui serait plus résistant lors d'un test en laboratoire mais trop cassant pour un impact sur la route.

Teneur en carbone et Forgeage de l'acier Processus

Le forgeage de l'acier façonne le métal par déformation plastique par compression, à l'aide de marteaux, de presses ou de rouleaux pour forcer l'acier chauffé dans une matrice ou dans la forme souhaitée. La teneur en carbone régit presque toutes les décisions prises par un atelier de forge avant le premier coup de marteau.

Fenêtres de température de forgeage

Les aciers à faible et moyenne teneur en carbone sont généralement forgés entre 1150°C et 1250°C (environ 2 100 °F à 2 280 °F), où le matériau se trouve dans sa phase austénitique et s'écoule facilement sous pression. Les aciers à haute teneur en carbone sont généralement forgés vers l'extrémité inférieure de cette fourchette, car une chaleur excessive combinée à une teneur élevée en carbone favorise la croissance des grains et la décarburation de la surface, qui affaiblissent toutes deux la pièce finie.

Pourquoi les faussaires préfèrent les qualités de carbone moyennes

Les aciers à carbone moyen tels que 1040, 1045 et 4140 dominent l'industrie du forgeage car ils atteignent un équilibre réalisable : suffisamment de carbone pour bien répondre au traitement thermique post-forgeage comme la trempe et le revenu, mais pas au point que la billette se fissure sous la matrice. Les composants tels que les vilebrequins, les bielles, les engrenages, les brides et les outils à main sont presque toujours forgés à partir de cette bande médiane plutôt que des extrêmes.

Gains de débit et de résistance des grains

Le forgeage fait plus que façonner l’acier ; il aligne la structure du grain interne le long des contours de la pièce. Un composant forgé suit des lignes d'écoulement continues du grain, tandis qu'une pièce usinée ou moulée coupe le grain ou n'en a pas du tout. Les tests industriels ont montré à plusieurs reprises que les pièces en acier forgé peuvent présenter une résistance à la fatigue nettement plus élevée que les pièces moulées ou usinées de composition chimique identique. C'est pourquoi l'acier au carbone forgé reste la norme pour les composants critiques en matière de sécurité comme les fusées d'essieu et les vilebrequins.

L'acier au carbone comparé à l'acier allié et à l'acier inoxydable

La teneur en carbone à elle seule ne dit pas tout une fois que d’autres éléments entrent en jeu. Comprendre où se situe l'acier au carbone ordinaire par rapport à ses cousins ​​alliés permet d'expliquer pourquoi un dessin de forgeage peut faire appel à une famille plutôt qu'à une autre.

Dans la pratique, un ingénieur d'achat choisit l'acier au carbone ordinaire lorsque la pièce sera revêtue, peinte ou conservée à l'intérieur, et opte pour des nuances en alliage ou en acier inoxydable lorsque l'application exige une résistance à la corrosion ou une trempabilité plus élevée grâce à des sections transversales plus épaisses.

Choisir une nuance d'acier au carbone pour une pièce forgée

Choisir le bon pourcentage de carbone est un exercice d’équilibre entre trois questions : quelle doit être la résistance de la pièce, quelle quantité de chocs ou de fatigue va-t-elle absorber et comment sera-t-elle usinée ou assemblée par la suite.

1. Identifiez le type de charge. Les charges statiques tolèrent une teneur en carbone plus élevée ; les charges d'impact répétées favorisent le carbone moyen avec une bonne ténacité.
2. Vérifiez les opérations post-forgeage. Si la pièce doit être soudée en aval, maintenez la teneur en carbone inférieure à environ 0,30 %, à moins que le préchauffage et le refroidissement contrôlé ne fassent partie du plan de processus.
3. Confirmez le chemin de traitement thermique. Les aciers à moyenne et haute teneur en carbone répondent bien aux cycles de trempe et de revenu ; les aciers à faible teneur en carbone reposent plutôt sur la cémentation ou la carburation.
4. Pesez l’usinabilité par rapport à la dureté. Une teneur en carbone plus élevée signifie généralement des vitesses de coupe plus lentes et une usure plus rapide des outils lors de l'usinage secondaire.

Une forge approvisionnant les constructeurs automobiles ou agricoles normalise souvent sur une poignée de qualités, le plus souvent 1045 pour l'arbre général et 4140 là où un rapport résistance/poids plus élevé est requis, précisément parce que ces nuances se situent à mi-chemin entre la forgeabilité et les performances de la pièce finie.

Traitement thermique après forgeage

Le forgeage seul permet rarement d'obtenir les propriétés mécaniques finales d'une pièce. La teneur en carbone détermine quels traitements thermiques sont possibles par la suite.

Normalisation

Presque toutes les pièces forgées en acier au carbone sont normalisées après forgeage, chauffées au-dessus de la température critique et refroidies à l'air, pour affiner la structure du grain et soulager les contraintes inégales laissées par le processus de forgeage.

Trempe et revenu

Les aciers à moyenne et haute teneur en carbone peuvent être trempés dans l'huile ou l'eau pour former de la martensite, puis revenus pour échanger une certaine dureté contre de la ténacité. Le pourcentage de carbone fixe un plafond à la dureté réalisable ; un acier contenant moins de 0,30 % de carbone ne peut tout simplement pas atteindre la même dureté une fois trempé qu'une nuance 1060 ou 1080, quelle que soit la sévérité de la trempe.

Cémentation pour pièces à faible teneur en carbone

Les aciers à faible teneur en carbone qui nécessitent une surface résistante à l'usure mais un noyau résistant, comme les engrenages, sont plutôt carburés : le carbone est diffusé dans la surface extérieure à haute température, puis cette couche superficielle seule est trempée durement tandis que le noyau à faible teneur en carbone reste ductile.

Foire aux questions

Quel pourcentage de carbone rend l’acier suffisamment dur pour les outils ?

Les applications d'outils commencent généralement vers 0,60% de carbone et vont jusqu'à environ 1,0 %, car cette plage durcit bien par trempe et conserve une arête vive.

Un taux de carbone plus élevé signifie-t-il toujours un acier plus résistant ?

Jusqu'à un certain point seulement. La résistance à la traction et la limite d'élasticité augmentent avec la teneur en carbone, mais au-delà d'environ 0,80 à 0,90 %, les gains s'aplatissent tandis que la fragilité continue d'augmenter, de sorte qu'une plus grande quantité de carbone n'est pas automatiquement meilleure pour chaque application.

Pourquoi l’acier à teneur moyenne en carbone est-il le matériau de forge le plus courant ?

Il offre la fenêtre pratique la plus large : suffisamment de carbone pour durcir par traitement thermique, mais suffisamment ductile pour résister aux forces de compression du forgeage sans fissurer la billette.

L’acier à faible teneur en carbone peut-il être forgé ?

Oui. L'acier à faible teneur en carbone se forge facilement en raison de sa ductilité élevée, et il est généralement choisi pour les pièces qui seront soudées ou qui nécessitent un noyau solide et résistant aux chocs plutôt qu'une dureté de surface.

Comment mesure-t-on la teneur en carbone d’une pièce finie en acier ?

Les producteurs utilisent l'analyse de combustion ou la spectroscopie d'émission optique pour mesurer le pourcentage de carbone directement à partir d'un échantillon, et le résultat est indiqué sur le certificat d'essai de l'usine qui accompagne le matériau.

Que se passe-t-il si la teneur en carbone est trop élevée pour une application de forgeage ?

L'excès de carbone réduit la ductilité au point où la billette peut se fissurer lors de la compression, en particulier au niveau des coins de matrice et des sections minces, c'est pourquoi les ateliers de forge spécifient des plages de teneur en carbone plutôt que d'accepter de larges tolérances d'usinage.