Teneur en carbone et propriétés de l'acier : l'échelle du carbone

L'échelle en un coup d'œil

Bande de carbone	Caractère	Usages typiques
Très faible — moins de 0.10%	Doux, extrêmement formable, se soude sans précautions	Tôle emboutie profond, feuillard, fil, rivets ; les aciers sans interstitiels (IF) se situent au bas de cette bande
Faible — 0.10–0.25%	Le cheval de trait structurel soudable : bonne ductilité, résistance modeste, réponse au durcissement limitée	Profilés et tôles de construction (territoire S235–S355), tubes, fabrication générale
Moyenne — 0.25–0.60%	Répond fortement à la trempe et au revenu ; la bande des machines	Arbres, engrenages, essieux : C45/1045 à environ 0.45%, 4140 à environ 0.40%
Élevée — 0.60–1.00%	Ressorts, pièces d'usure et tranchants ; le soudage devient une procédure de spécialiste	Aciers à ressorts (environ 0.5–0.8%), aciers à rails, câbles métalliques, couteaux
Très élevée — plus de 1.00%	Volume maximal de carbures et dureté maximale après trempe ; fragile sans revenu soigneux	Aciers à outils et à matrices (le D2 contient environ 1.5%), limes, chemins de roulement à environ 1.0%

Ce que le carbone contrôle

Plafond de dureté. Le carbone fixe la dureté maximale qu'un acier peut atteindre lorsqu'il est entièrement trempé. La relation est raide au début, puis sature : un acier à environ 0.20% de carbone atteint au mieux environ 45 HRC, tandis qu'un acier à environ 0.60% de carbone peut atteindre le milieu des 60 HRC. Au-delà d'environ 0.6–0.8%, le carbone supplémentaire ajoute des carbures résistants à l'usure plutôt qu'une dureté supérieure.

La profondeur de durcissement est une autre question. La profondeur à laquelle cette dureté pénètre — la trempabilité — s'achète avec le manganèse, le chrome, le molybdène ou des traces de bore, et non avec le carbone. Confondre les deux est une erreur classique de spécification : un acier ordinaire à haute teneur en carbone peut encore s'adoucir quelques millimètres sous la surface d'une section épaisse.

La soudabilité va dans l'autre sens. À mesure que le carbone augmente, la zone affectée thermiquement durcit davantage et se fissure plus facilement. L'industrie exprime cela avec le carbone équivalent, le plus couramment la formule IIW CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Les aciers à faible CE se soudent librement ; lorsque le CE grimpe au-dessus d'environ 0.40–0.45, le préchauffage, un apport de chaleur contrôlé et une pratique à faible hydrogène deviennent nécessaires — c'est pourquoi les nuances de construction plafonnent le carbone bien à l'intérieur de la bande faible.

La ténacité et la ductilité diminuent régulièrement en montant l'échelle : l'allongement et l'énergie d'impact à résistance donnée sont les plus élevés dans les bandes à faible carbone, et les aciers à haute teneur en carbone gagnent leur dureté au prix d'une fragilité que le revenu doit ensuite racheter.

Choisir un échelon

La règle pratique est de n'acheter pas plus de carbone que ce que l'application dépense. Les structures soudées restent en bas ; les pièces qui seront trempées à cœur et revenues vivent dans la bande moyenne ; seules les pièces payées en usure ou en durée de vie du tranchant — ressorts, rails, outils — justifient les échelons élevés et leurs coûts de fabrication. Les noms de nuances glissent souvent la réponse : dans des désignations comme C45, 1045 ou S45C, le nombre est le carbone nominal en centièmes de pour cent.