Acier 45# (C45 / 1045 / S45C) : Composition chimique, propriétés mécaniques et applications techniques

En génie mécanique, l'acier 45# est le meilleur acier à teneur moyenne en carbone. Il est également connu sous le nom d'AISI 1045, C45 ou S45C dans le monde entier. Il est populaire depuis longtemps car il présente un équilibre technique bien défini : il est plus résistant que les aciers de construction à faible teneur en carbone, peut être rendu plus tenace par traitement thermique et est très rentable.

Le nom “ 45 ” vient du fait qu'il contient environ 0,45% de carbone en poids. C'est le facteur qui a le plus d'effet sur son comportement. Lorsque la teneur en carbone est aussi élevée, l'acier peut être trempé et revenu pour le rendre beaucoup plus résistant et plus dur que des aciers comme le Q235 ou le 1018. Les aciers à faible teneur en carbone, en revanche, tirent leur résistance principalement de la taille de leurs sections.

Pour les arbres, les engrenages, les bielles, les broches et autres pièces mécaniques, l'acier 45# est le choix le plus courant. Il est préféré lorsqu'une trempe à cœur ou une trempe superficielle est nécessaire, mais que les aciers alliés (comme le 4140) seraient excessifs ou trop coûteux.

Cet article examine l'acier 45# en tant que matériau d'ingénierie. Il relie des éléments tels que la composition chimique, sa réponse au traitement thermique, sa facilité d'usinage et la manière de choisir le meilleur matériau pour votre projet.

Qu'est-ce que l'acier 45# ? Cet article expliquera les règles de dénomination et le comparera à d'autres types d'acier dans le monde.

Nous devons examiner les normes qui définissent l'acier 45# afin de le comprendre. La norme nationale chinoise GB/T 699, qui couvre les aciers de construction au carbone de haute qualité, le définit.

La règle de dénomination

La règle est simple :

• “ 45 ” : Cela signifie que la teneur moyenne en carbone est de 0,45%.

• “ # ” : Un suffixe courant dans le jargon industriel chinois qui signifie “ Numéro ” ou “ Nuance ”.”

Nuances équivalentes dans d'autres pays

L'acier 45# est un type d'acier à teneur moyenne en carbone connu dans le monde entier. Bien qu'ils soient chimiquement similaires, les propriétés finales dépendent de leur traitement thermique.

Tableau 1 : Équivalents dans le monde

Clarification technique : “ Équivalent ” ne signifie pas identique. Une plaque C45 d'Allemagne peut avoir des limites de manganèse différentes de celles d'une barre 45# de Chine. Vérifiez toujours les certificats de coulée spécifiques (MTR) pour les utilisations importantes.

La composition chimique de l'acier 45# et sa signification métallurgique

La conception chimique centrée sur le carbone de l'acier 45# détermine ses performances. Il utilise le carbone pour la résistance et le manganèse pour la trempabilité.

Tableau 2 : Composition chimique courante (wt.%)

La fonction du carbone (0,45%)

• Durcissement : Cela permet la formation de martensite lors du refroidissement de l'acier, ce qui le rend plus dur. La surface peut atteindre 50+ HRC et le cœur 20-30 HRC.

• Compromis : Plus la teneur en carbone est élevée, plus le soudage est difficile. Il existe un risque réel de fissuration dans la zone affectée thermiquement (ZAT).

Pourquoi le 45# n'est pas un acier allié

Il ne contient pas suffisamment de chrome, de molybdène ou de vanadium. La transformation de phase fer-carbone est ce qui lui confère ses propriétés. Cela signifie qu'il ne peut pas durcir les sections épaisses comme le 4140, ce qui le rend moins trempable.

Microstructure et mécanismes de résistance

La microstructure de l'acier 45# affecte directement son comportement mécanique.

1. Normalisé ou recuit (ferrite-perlite)

   • La structure est composée à la fois de ferrite douce et de perlite dure lorsqu'il est laminé ou normalisé.

   • Résultat : Facile à usiner, résistance moyenne et bonne ductilité. C'est ainsi que les barres sont généralement fournies.

2. Trempé et revenu (martensite revenue)

   • La structure se transforme en martensite revenue après chauffage.

   • Résultat : Fort, dur et résistant, mais pas trop résistant. C'est l'état dans lequel se trouvent les arbres et les engrenages finis.

Propriétés physiques et mécaniques de l'acier 45#

Selon le traitement thermique, les propriétés peuvent varier considérablement. Les ingénieurs doivent noter la condition sur le dessin.

Les conditions affectent les propriétés mécaniques

Tableau 3 : Propriétés mécaniques courantes

Remarque : La trempe par induction peut rendre la surface suffisamment dure pour atteindre 55 HRC, mais le cœur est généralement plus tendre.

Caractéristiques physiques

• Densité : 7,85 g/cm³

• Module d'élasticité : 206 GPa (La rigidité reste la même quelle que soit la température).

• Dilatation thermique : environ 11,5 µm/m·°C.

Que se passe-t-il lorsque vous traitez thermiquement l'acier 45# ?

Le principal levier de valeur pour l'acier 45# est le traitement thermique.

1. Normalisation (affinage)

   • Processus : Chauffer à environ 840 °C puis refroidir à l'air.

   • Objectif : Améliorer la taille des grains après le forgeage. Donne un point de départ cohérent pour l'usinage.

2. Trempe et revenu (pour renforcer)

   • Processus : Chauffer à environ 840 °C, refroidir dans l'eau ou l'huile, puis revenir à 500 °C à 600 °C.

   • Objectif : Rendre la masse plus résistante. La trempe à l'eau est risquée (elle peut provoquer des fissures), mais elle fonctionne pour le 45#. L'huile est plus sûre, mais elle ne rend pas le métal aussi dur.

3. Durcissement par induction (usure en surface)

   • Processus : Chauffer la peau avec des hautes fréquences, puis la vaporiser d'eau pour la refroidir.

   • Objectif : Garder le cœur résistant et ductile tout en rendant la surface dure et résistante à l'usure (50–55 HRC). Idéal pour les engrenages et les arbres droits.

Directives pour le traitement et l'usinabilité du CNC

Machines fabriquées en acier 45#. Il est résistant, mais pas autant que les aciers à faible teneur en carbone comme le 1018.

Caractéristiques de l'usinabilité

• Normalisé : Bonne usinabilité (environ 55%). La teneur en perlite fait que les copeaux se cassent assez bien.

• Trempe Le rend beaucoup plus difficile à travailler. Après durcissement, il est généralement nécessaire de faire un usinage de finition ou un meulage.

Conseils pour le CNC

• Outillage standard est du carbure revêtu (TiCN/AlTiN).

• Avances et vitesses : Pas trop rapides. Des avances agressives aident à casser les copeaux.

• Finition de surface : Peut obtenir d'excellentes finitions (Ra 1,6 µm ou mieux) car il n'est pas “ collant ” comme l'acier à faible teneur en carbone.

Contrôle de la soudabilité et de la zone affectée par la chaleur (ZAC)

Avertissement : L'acier 45# peut être soudé, mais il ne cède pas facilement.

Le risque du soudage

La teneur en carbone de 0,45% rend la martensite fragile dans la ZAC lorsqu'elle refroidit rapidement. Cela provoque des fissures à froid.

Parties importantes d'une spécification de procédure de soudage (WPS)

• Préchauffage : Très important. Avant le soudage, chauffer la pièce entre 150 et 250 degrés Celsius pour ralentir le processus de refroidissement.

• Garder la pièce chaude entre les passes.

• Traitement thermique après soudage (PWHT) : Pour éviter que la soudure ne fissure en service, il est fortement recommandé de faire un détensionnement ou un revenu.

• Métal d'apport : Vous devez utiliser des électrodes à faible teneur en hydrogène.

Points clés pour les ingénieurs : Si une structure est fortement soudée, comme un cadre complexe, vous pourriez utiliser du Q235 ou du Q345 (faible alliage) au lieu du 45# pour réduire le risque de fissuration.

Guide pour choisir l'acier 45# plutôt que d'autres aciers courants

Pour choisir le bon acier, vous devez trouver un équilibre entre la résistance, le coût et la facilité de travail.

Tableau 4 : 45# vs. autres marques

Comment choisir

• Utilisation 45# si vous avez besoin de quelque chose de plus résistant ou qui peut mieux résister à l’usure (durcissement). Utilisez Q235 pour le soudage et la construction de pièces qui ne bougent pas.

• Si la pièce est épaisse (plus de 50 mm) et doit être dure sur toute son épaisseur, utilisez 4140. 45# ne durcit que près de la surface.

Utilisations courantes de l’acier 45# en ingénierie

L’industrie des machines repose principalement sur le 45#.

• Mouvement : Arbres linéaires, tiges de guidage et broches.

• Transmission de puissance : Engrenages, pignons, vilebrequins et bielles.

• Éléments de fixation : Boulons à haute résistance (matériau de base équivalent Grade 8.8).

• Outillage : Gabarits, jeux de matrices et semelles de moules.

• Hydraulique : Vérins chromés et durcis par induction.

Résumé — Ce que les ingénieurs ont appris

L’acier 45# est un matériau économique et utile pour l’ingénierie.

Points importants :

• Ajustable : Il peut être doux (recuit) ou dur (trempé).

• Durcissement superficiel : Idéal pour le durcissement par induction (environ 55 HRC).

• Compatible avec les machines : La durée de vie des outils et l’état de surface sont tous deux bons.

• Soyez prudent lors du soudage : Vous devez préchauffer et post-chauffer pour éviter les fissures.

Les ingénieurs peuvent fabriquer des pièces mécaniques solides et durables pour beaucoup moins cher que les aciers alliés s’ils connaissent les limites et les possibilités du traitement thermique.

FAQ

Q : L’acier 1045 est-il le même que le 45# ?
R : Oui. En termes de comportement, ils sont identiques. La norme chinoise GB est 45#, et la norme américaine AISI/SAE est 1045. Les deux sont des aciers contenant environ 0,45% de carbone.

Q : L’acier 45# rouille-t-il ?
R : Oui. C’est un acier au carbone simple sans chrome. Il doit être protégé avec de l’huile, de la peinture, un placage ou de l’oxyde noir.

Q : Est-il possible de souder l’acier 45# ?
R : Oui, mais il faut d’abord le chauffer pour éviter les fissures. Il ne se soude pas aussi bien que le Q235 ou le 1018.

Q : Quelle dureté l’acier 45# peut-il atteindre ?
R : Il peut atteindre environ 55 HRC en surface par trempe. Le cœur des pièces épaisses, en revanche, restera plus doux car il ne durcit pas bien.

Q : Quand dois-je utiliser le 4140 au lieu du 45# ?
R : Utilisez le 4140 lorsque vous avez besoin qu’une section épaisse soit très résistante sur toute son épaisseur (trempe à cœur) ou lorsque la pièce sera soumise à de fortes contraintes ou à des chocs. Le 4140 est plus résistant et plus tenace, mais il coûte plus cher.