Qu'est-ce que l'acier 1045 ? Propriétés, composition, traitement thermique et applications techniques

La plupart du temps, lorsque les ingénieurs demandent “ Qu’est-ce que l’acier 1045 ? ”, ils ne veulent pas d’une réponse tirée d’un manuel. On choisit généralement l’acier au carbone 1045 car il constitue un bon compromis au sein de la famille des aciers au carbone. Il est bien plus résistant que les nuances à faible teneur en carbone comme le 1018, mais il est moins coûteux, moins difficile à usiner et moins sensible au traitement thermique que les aciers alliés tels que le 4140.

Le 1045 est un acier à teneur moyenne en carbone, puisqu’il présente une teneur en carbone d’environ 0,451 TP17T. Ce niveau de carbone est suffisamment élevé pour rendre le matériau plus solide, plus résistant à l’usure et mieux à même de supporter la fatigue, sans pour autant être trop élevé au point de le rendre difficile à usiner ou de lui conférer un comportement imprévisible lors du traitement thermique. Cet équilibre correspond exactement à ce dont les concepteurs ont besoin pour de nombreuses pièces mécaniques.

Dans les usines, l'acier 1045 est souvent utilisé pour les arbres, les goupilles, les engrenages, les pignons, les pièces de vilebrequin et d'autres composants mécaniques qui doivent supporter des charges plus importantes que celles que l'acier doux peut supporter en toute sécurité. L'acier 1045 présente une plus grande rigidité et une meilleure résistance en surface que l'acier 1018. Il reste toutefois moins cher et plus facile à usiner selon les procédés CNC et les traitements thermiques classiques que les aciers alliés.

Ce guide aborde l'acier 1045 sous l'angle de l'ingénierie, en examinant sa composition chimique, ses limites mécaniques, ses options de traitement thermique et en le comparant de manière stratégique à d'autres aciers courants.

Rôle de chaque élément constitutif de l'acier 1045 et composition de cet acier

Pour comprendre pourquoi l'acier 1045 constitue un bon compromis parmi les aciers au carbone, il faut connaître sa composition chimique. Le 1045 ne se caractérise pas par la complexité de son alliage ; il repose plutôt sur un système carbone-manganèse soigneusement équilibré.

Tableau 1 : Norme de composition chimique (AISI/SAE 1045)

Comment le carbone et le manganèse influencent la résistance mécanique

Sa caractéristique principale réside dans sa teneur en carbone d'environ 0,451 TP17T. Le carbone rend les aciers tels que le 1018 beaucoup plus résistants et plus durs que les aciers à faible teneur en carbone comme le 1018. Il facilite également la trempe et le revenu du 1045, ce qui en fait un matériau idéal pour les arbres et les engrenages qui doivent résister à l'usure.

Le manganèse renforce les solutions solides et améliore leur trempabilité, ce qui signifie que les sections plus épaisses peuvent atteindre une dureté plus homogène lors de la trempe. L'acier 1045 ne contient aucun élément d'alliage tel que le chrome ou le molybdène ; il ne peut donc pas se tremper autant que d'autres métaux. C'est pourquoi l'acier 1045 ne peut pas être “ trempé à cœur ” comme l'acier 4140 : la dureté au cœur diminue dans les sections transversales plus importantes.

Microstructure : l'importance de la ferrite-perlite

La microstructure de l'acier 1045 est le meilleur moyen, pour un ingénieur, de comprendre son comportement. L'acier 1045 contient beaucoup de perlite, ce qui le distingue des aciers à faible teneur en carbone, qui sont principalement constitués de ferrite tendre.

Pièce laminée ou normalisée

• Ferrite tendre et ductile. Il résiste aux chocs.

• Perlite est constitué de couches dures et résistantes de ferrite et de cémentite (carbure de fer). Il confère à l'acier sa résistance mécanique et sa résistance à l'usure.

Le 1045 contient plus de perlite que le 1018, car il est plus riche en carbone. C'est pourquoi il est plus résistant et plus dur à l'état brut, sans traitement thermique.

Comment le traitement thermique modifie la structure des microstructures

• Normalisation : Cela permet de réduire la taille des grains et de répartir la perlite de manière homogène. Le matériau gagne ainsi en ténacité et devient plus facile à travailler.

• Trempe et revenu transformer sa structure en martensite, ce qui la rend beaucoup plus dure.

• Trempe par induction transforme la surface en martensite dure tout en conservant le cœur sous forme de ferrite-perlite résistante. C'est la meilleure application pour les engrenages et les arbres en acier 1045.

1045 Propriétés mécaniques de l'acier (recuit vs. traité thermiquement)

L'intérêt du nombre 1045 réside dans la mesure dans laquelle ses propriétés peuvent être modifiées par des opérations de traitement.

Tableau 2 : Propriétés mécaniques normales

Veuillez noter que les propriétés varient considérablement en fonction de la taille de la section et des paramètres de traitement thermique utilisés.

Conception et limite d'élasticité

Lors des calculs de conception, il convient de garder à l'esprit que le 1045 présente une limite d'élasticité supérieure à celle du 1018 ou de l'A36. Cela signifie qu'à diamètre égal, il est possible d'obtenir des arbres plus légers ou des capacités de transmission de couple plus élevées. Les concepteurs ne doivent toutefois pas fixer une dureté maximale par défaut, car une dureté excessive réduit la ténacité du matériau et le rend plus cassant.

Acier 1045 : options de traitement thermique

Lorsque l'on soumet l'acier 1045 à un traitement thermique, celui-ci passe du statut d'acier polyvalent à celui de matériau technique pouvant être adapté à des besoins spécifiques.

1. Normalisation et recuit

   • Recuit : Permet d'obtenir une matière aussi malléable que possible pour les opérations d'usinage complexes ou le formage à froid.

   • Normalisation C'est la méthode la plus courante pour traiter ce matériau. Elle permet d'améliorer la structure granulaire après le forgeage ou le laminage, ce qui garantit que la pièce reste toujours résistante et facile à usiner.

2. Trempe et revenu

   • Le 1045 peut être refroidi rapidement dans de l'huile ou de l'eau pour former de la martensite.

   • Limitation : Comme il ne durcit pas très bien, il ne durcit que sur quelques millimètres de profondeur dans les sections épaisses. Le cœur reste mou.

   • Utilisation : Boulons, goujons et bielles.

3. Trempe par induction et à la flamme (trempe superficielle)

   • C'est le 1045 qui excelle dans ce domaine.

   • Processus : Une bobine à haute fréquence ne chauffe que la surface, qui est ensuite refroidie par pulvérisation.

   • Le résultat présente une dureté superficielle comprise entre 50 et 55 HRC et un cœur à la fois résistant et ductile.

   • Utilisation : Les tiges de vérins hydrauliques, les arbres à cames et les dents d'engrenages doivent présenter une bonne résistance à l'usure superficielle tout en étant capables de supporter des charges de choc sans se rompre.

Acier 1045 : comment le travailler et le traiter selon la norme CNC

En termes de fabrication, l'acier 1045 se situe à mi-chemin. Il est plus difficile à usiner que l'acier 1018, mais beaucoup plus facile que l'acier 4140 ou l'acier inoxydable.

Caractéristiques d'usinabilité

• Contrôle des puces : La structure perlite permet une meilleure fragmentation des copeaux que la ferrite visqueuse du 1018. Elle permet d'obtenir de bons états de surface.

• Usure des outils : Une teneur en carbone plus élevée implique une abrasivité plus importante. La durée de vie de l'outil est plus courte qu'avec les aciers 1018 ou 12L14.

• Note : À propos de l'acier 55% (AISI 1212 = 100%).

Conseils pour l'usinage CNC

• Outillage : Utilisez des plaquettes en carbure revêtues (TiCN ou AlTiN) pour résister à la chaleur et à l'usure.

• Utilisez des vitesses d'ébauche faibles et des avances de finition rapides pour éviter que la pièce ne se durcisse et ne s'use par frottement.

• Pour obtenir des tolérances serrées, usinez la pièce à l'état normalisé ou recuit, puis soumettez-la à un traitement thermique et, enfin, rectifiez-la à la cote requise si nécessaire.

Éléments à prendre en compte lors du soudage et de la fabrication d'objets

On pense souvent que l'acier 1045 peut être soudé, mais il faut faire preuve de prudence. Il est moins indulgent que l'A36 ou le 1018.

Les défis du soudage

La teneur en carbone de l'acier 0.45% augmente le risque de formation de martensite fragile dans la zone affectée thermiquement (HAZ) lorsque le matériau refroidit rapidement. Cela peut entraîner l'apparition de fissures.

Conseils utiles pour le soudage

• Préchauffage : Le préchauffage de la pièce à une température comprise entre 150 °C et 300 °C ralentit le processus de refroidissement, ce qui l'empêche de devenir cassante.

• Température de l'Interpass : Maintenez la chaleur entre chaque passage.

• Traitement thermique après soudage (PWHT) : Il est vivement recommandé de soulager la tension ou de tempérer la zone affectée par la chaleur (HAZ) après le soudage afin de lui redonner sa ténacité.

• Consommables : Il est nécessaire d'utiliser des électrodes à faible teneur en hydrogène pour empêcher la fissuration due à l'hydrogène.

Conseil technique : N'utilisez pas le 1045 pour les structures soudées complexes (comme les châssis), sauf si vous avez vraiment besoin d'une résistance supplémentaire. Pour le soudage général, privilégiez l'A36 ou le 1018.

L'acier 1045 comparé à d'autres aciers courants : guide technique

Il est important de trouver l'acier qui offre le meilleur compromis entre résistance, coût et facilité d'utilisation.

L'acier 1045 présente une teneur moyenne en carbone, tandis que l'acier 1018 en présente une faible.

• Force : Le 1045 est bien plus résistant et plus dur.

• Usinabilité : Le 1018 coupe plus vite, mais il peut être collant. Le 1045 dure plus longtemps, mais use les outils.

• Soudabilité : Le 1018 est génial, mais le 1045 doit être préchauffé.

• Utilisation 1018 pour les supports et les entretoises simples. L'acier 1045 convient bien aux engrenages, aux arbres et aux essieux.

Acier 1045 vs acier 4140 (au carbone vs allié)

• Le 4140 (chrome-molybdène) peut être trempé sur toute son épaisseur dans les sections épaisses. Ce n'est pas le cas du 1045.

• Force : Le 4140 est bien plus résistant et supporte des contraintes plus importantes.

• Prix : Le modèle 1045 est moins cher.

• Décision : Utilisez le 1045 pour les pièces qui ne doivent pas être très résistantes. Utilisez le 4140 pour les pièces soumises à de fortes contraintes et essentielles à la sécurité, comme les vilebrequins ou les arbres sous haute pression.

Tableau 3 : Matrice de sélection rapide

Applications courantes de l'acier 1045 dans l'ingénierie

Le modèle 1045 est le “ cheval de bataille ” des machines et de la transmission de puissance.

• L'utilisation la plus courante concerne arbres et essieux. Utilisé dans les pompes, les moteurs et les essieux des voitures.

• Engrenages et pignons sont souvent trempés par induction afin d'éviter l'usure des dents.

• 1045 chromé C'est la norme applicable aux pistons de vérins hydrauliques.

• Boulons et goujons sont des éléments de fixation de résistance moyenne, comme ceux de classe 5.

• Douilles, axes, tiges de guidage et vérins sont toutes des pièces de machines.

Contraintes de conception et facteurs environnementaux

La version 1045 est utile à bien des égards, mais elle a ses limites.

• Corrosion : Il ne résiste absolument pas à la corrosion. Il rouille immédiatement dès qu'il y a de l'humidité. Il faut le peindre, le plaquer (avec du zinc ou du chrome) ou le huiler.

• Résistance aux basses températures : À basse température, l'acier 1045, comme tous les aciers au carbone, passe d'un état ductile à un état fragile. Ne l'utilisez pas pour des charges d'impact dans des conditions de gel ; privilégiez plutôt un acier allié au nickel.

• Sections épaisses : Ne comptez pas sur la norme 1045 pour garantir une dureté homogène aux pièces dont l'épaisseur dépasse environ 50 à 70 mm.

Résumé : Ce que les ingénieurs doivent savoir sur l'acier 1045

L'acier 1045 est un acier technique à teneur moyenne en carbone et peu coûteux.

• La “ voie du juste milieu ” se situe entre le 1018, plus abordable, et le 4140, plus onéreux.

• Traitement thermique possible : Son principal avantage réside dans le fait qu'il peut être trempé à la flamme ou par induction afin d'améliorer sa résistance à l'usure.

• Fabrication : Il s'adapte bien aux machines, mais il faut faire attention lors du soudage.

• Utilisation : Le choix idéal pour les arbres, les engrenages et les goupilles qui doivent être plus résistants que l'acier doux, sans pour autant payer un supplément pour des alliages.

Les ingénieurs peuvent utiliser l'acier 1045 pour fabriquer des machines robustes et fiables à moindre coût s'ils savent comment le tremper et comment le travailler.

FAQ

Q : L'acier 1045 est-il résistant ?
R : Oui, pour un acier au carbone. Il présente une bonne résistance à la traction (environ 85 à 95 ksi) lorsqu'il est trempé et revenu, ce qui le rend adapté à la plupart des applications liées aux arbres. Il est nettement plus résistant que l'A36 ou le 1018.

Q : Est-il possible de souder de l'acier 1045 ?
R : Oui, mais il faut le préchauffer à une température comprise entre 300 °F et 500 °F et contrôler correctement la température entre les passes pour éviter qu'il ne se fissure. Il n'est pas aussi facile à souder que le 1018.

Q : Le modèle 1045 rouille-t-il ?
R : Oui. Il ne contient pas de chrome (un métal qui ne rouille pas). Il a besoin d'un revêtement pour protéger sa surface, comme de l'huile, de la peinture ou un placage.

Q : Quelles sont les différences entre le 1045 et le 4140 ?
R : L'acier 4140 contient du chrome et du molybdène, ce qui le rend beaucoup plus dur (il peut être trempé à cœur), plus résistant et plus résistant à la fatigue. L'acier 1045 est un acier au carbone simple. Il est moins cher, mais il n'est pas aussi performant dans les applications où l'épaisseur est importante ou où les contraintes sont élevées.

Q : L'acier 1045 est-il un bon choix pour les couteaux ?
R : Il permet de fabriquer un couteau simple et résistant, comme un couteau de lancer, car il ne se casse pas facilement. En revanche, sa teneur en carbone est insuffisante pour conserver un tranchant très affûté, contrairement aux aciers spécialement conçus pour la coutellerie (comme le 1095).