Acier au carbone contre acier inoxydable

États-Unis Étude de cas de l'armée

Que signifie réellement l'acier au carbone ?

« Acier au carbone » a deux significations :une définition technique et une classification plus générale. La définition technique est très claire :selon l'American Iron and Steel Institute (AISI), un acier doit répondre aux normes suivantes pour correspondre à la définition technique de l'acier au carbone :

1. Aucune teneur minimale n'est spécifiée ou requise pour le chrome, le cobalt, le colombium [niobium], le molybdène, le nickel, le titane, le tungstène, le vanadium ou le zirconium, ou tout autre élément à ajouter pour obtenir l'effet d'alliage souhaité
2. Lorsque le minimum spécifié pour le cuivre ne dépasse pas 0,40 %
3. Lorsque la teneur maximale spécifiée pour l'un des éléments suivants ne dépasse pas les pourcentages notés :manganèse 1,65, silicium 0,60, cuivre 0,60.
   

La définition technique, bien que complexe, se résume à une simple contrainte :les véritables aciers au carbone ne doivent pratiquement pas contenir d'éléments d'alliage, ce qui les rend principalement composés de deux matériaux :le fer et le carbone. La quantité de carbone peut varier et il existe quelques matériaux d'alliage acceptables, mais ces aciers sont simples.

En plus de la définition précise, le terme acier au carbone est également utilisé pour désigner le large groupe d'aciers alliés qui ne sont pas des aciers inoxydables. Contrairement aux aciers au carbone, les aciers faiblement alliés peuvent contenir de petites quantités d'une grande variété d'éléments d'alliage, ce qui leur permet d'être personnalisés pour une plus grande variété d'applications. Ces aciers, bien qu'ils ne satisfassent pas aux exigences techniques de l'acier au carbone, signifient le plus grand fossé entre l'acier :l'acier inoxydable par rapport à tout le reste.

Acier au carbone (par définition)

En termes simples, l'acier au carbone est par définition extrêmement simple. C'est du fer avec du carbone et des éléments d'alliage limités. De plus, tout acier nécessitant des éléments d'alliage (comme le 4140 et le 4340, par exemple) ne le sont pas aciers au carbone. Dans la définition de l'acier au carbone, les matériaux peuvent être définis comme de l'acier à faible teneur en carbone ou de l'acier à haute teneur en carbone. Les aciers à faible teneur en carbone sont extrêmement courants, tandis que les aciers à haute teneur en carbone ne sont utilisés que dans des environnements à haute résistance et non corrosifs. L'acier 1020, un acier à faible teneur en carbone, est l'un des aciers les plus populaires produits aujourd'hui.

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L'acier au carbone a des propriétés mécaniques variables en fonction de la teneur en carbone. Les aciers à faible teneur en carbone sont plus faibles et plus tendres, mais peuvent être usinés et soudés facilement; tandis que l'acier à haute teneur en carbone est plus solide, mais nettement plus difficile à traiter. Tous les aciers au carbone sont sensibles à la rouille, ce qui les rend impropres à une utilisation dans une grande variété d'applications finales. Dans l'ensemble, l'acier au carbone est excellent si vous recherchez un métal à faible coût, mais généralement inadapté aux opérations de fabrication de haute qualité ou de haute précision.

Aciers faiblement alliés (parfois appelés aciers au carbone)

Les aciers faiblement alliés intègrent un ou plusieurs éléments d'alliage (comme le chrome, le cobalt, le niobium, le molybdène, le nickel, le titane, le tungstène, le vanadium ou le zirconium) pour améliorer les propriétés matérielles des aciers au carbone traditionnels. Ils sont souvent plus solides, plus rigides et légèrement plus résistants à la corrosion que les aciers au carbone traditionnels.

Les aciers alliés sont définis par les principaux matériaux d'alliage (en plus du carbone). 4140, l'un des aciers alliés les plus courants, est un acier allié au chrome-molybdène. Cela signifie que les principaux éléments d'alliage sont le chrome (qui augmente la résistance à la corrosion) et le molybdène (qui augmente la ténacité). Par conséquent, le 4140 est utilisé dans des applications à forte usure et à températures élevées.

Les aciers alliés sont aujourd'hui l'un des aciers les plus utilisés dans l'industrie. Ils sont usinables, abordables, facilement disponibles et possèdent de bonnes propriétés mécaniques. Si une pièce n'a pas besoin d'être résistante à la corrosion, les aciers faiblement alliés offrent le meilleur rapport qualité-prix.

Les propriétés qui rendent l'acier allié avantageux à produire via des méthodes conventionnelles le rendent moins précieux pour l'impression 3D. Parce qu'elle est facilement usinée et acquise à moindre coût, les coûts inhérents plus élevés des pièces de l'impression 3D en métal la rendent économiquement intenable à imprimer. Quelques imprimeries de métaux proposent des aciers faiblement alliés comme le 4140, mais ils sont généralement rares.

Aciers inoxydables

Les aciers inoxydables sont réunis autour d'une propriété matérielle clé :une excellente résistance à la corrosion, attribuable à une teneur élevée en Chrome (>10,5% en masse) et une faible teneur en carbone (<1,2% en masse). Au-delà de la résistance à la corrosion, les propriétés mécaniques de ces aciers peuvent être très variables.

Les aciers inoxydables austénitiques sont le type d'acier inoxydable le plus courant. Ils sont résistants à la corrosion et peuvent être à la fois facilement usinés et soudés, bien qu'ils ne puissent pas être traités thermiquement. 303 et 304 sont les types les plus courants d'aciers inoxydables austénitiques, et 316L est une variante qui maximise la résistance à la corrosion. Ces aciers sont utilisés dans une grande variété d'opérations - parce qu'ils sont résistants aux intempéries, ils fonctionnent à peu près n'importe où. En raison de leurs coûts plus élevés, l'impression 3D en métal peut être une méthode de fabrication viable pour ces pièces.

Les aciers inoxydables martensitiques offrent de meilleures propriétés mécaniques aux aciers austénitiques au détriment de la ductilité. En tant que groupe, ils n'ont pas la polyvalence générale des aciers austénitiques - cependant, leur dureté à haute résistance associée à une résistance à la corrosion bien supérieure aux aciers faiblement alliés les rendent adaptés à toute pièce à haute résistance qui se trouve dans un environnement oxydant. De plus, les aciers martensitiques peuvent être traités thermiquement pour augmenter encore la dureté, la résistance et la rigidité.

Le 17-4 PH est un type d'acier inoxydable martensitique particulièrement utile qui peut être traité thermiquement pour s'adapter à une variété de propriétés matérielles. En raison de sa dureté élevée et de son usinabilité extrêmement faible, il est souvent moins cher d'imprimer en 3D que de les usiner minutieusement. Si vous souhaitez en savoir plus sur l'impression 3D de pièces métalliques, consultez le Markforged Metal X.

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Acier au carbone contre acier inoxydable :verdict final

Le débat entre l'acier au carbone et l'acier inoxydable est un peu plus compliqué qu'on ne le pensait à l'origine, car l'acier au carbone peut désigner deux types d'acier différents :l'acier au carbone traditionnel et l'acier faiblement allié.

Par rapport à l'acier à faible teneur en carbone, l'acier inoxydable offre une amélioration considérable de la résistance, de la dureté et, surtout, de la résistance à la corrosion. L'acier à haute teneur en carbone offre une résistance comparable et parfois supérieure à l'acier inoxydable, mais est en grande partie un matériau de niche dans le monde de la fabrication. Contrairement à tout acier au carbone, l'acier inoxydable peut survivre et prospérer, sans oxydation, dans des environnements corrosifs ou humides. Cela étant dit, l'acier au carbone est beaucoup moins cher que l'acier inoxydable et mieux adapté aux grands composants structurels, comme les tubes, les poutres et les tôles d'acier laminées.

L'acier faiblement allié est supérieur à l'acier au carbone à bien des égards, mais manque toujours de résistance à la corrosion. Il peut correspondre efficacement aux propriétés matérielles de l'acier inoxydable. Par conséquent, les alliages comme le 4140 et le 4340 sont souvent usinés et utilisés dans de nombreuses applications dans lesquelles un peu d'oxydation ne fait pas de mal. L'acier inoxydable est un matériau de qualité supérieure mieux utilisé dans les opérations industrielles, où la qualité des pièces ne peut être compromise.