Acier au carbone : définition, propriétés, types et utilisations

L’acier au carbone est l’un des matériaux les plus utilisés dans l’industrie en raison de son équilibre entre résistance, coût et facilité de traitement. On le trouve dans les structures, l’automobile, la tuyauterie, les outils et une infinité de composants. Sa polyvalence réside dans le fait que de petites variations de la teneur en carbone modifient considérablement ses propriétés mécaniques, ce qui permet de l’adapter à presque tous les besoins.

Qu’est-ce que l’acier au carbone ?

C’est un alliage de fer (Fe) avec du carbone (C) comme principal élément de durcissement. Le pourcentage de carbone peut aller de moins de 0,1 % à un peu plus de 2 %. Au fur et à mesure que le carbone augmente :

• La dureté et la résistance à la traction augmentent.
• La ductilité et la soudabilité diminuent.

Outre le carbone, il contient généralement de petites quantités de manganèse, de silicium ou de cuivre pour ajuster le comportement et la transformabilité. Lorsqu’une plus grande résistance à la corrosion est requise, il est courant d’appliquer des revêtements, tels que la galvanisation (zinc), qui offre une protection contre l’oxydation et améliore la durabilité dans les environnements agressifs.

Comment il est fabriqué (vue d’ensemble)

Le processus industriel implique généralement un haut fourneau + un convertisseur (BOF) ou un four électrique à arc (EAF). Après avoir affiné la composition chimique, l’acier se solidifie (coulée continue ou lingots) et est laminé à chaud/froid pour obtenir des tôles, des profilés, des barres, etc. Par la suite, des traitements thermiques (recuit, normalisation, trempe et revenu) peuvent être appliqués pour affiner la ténacité, la dureté ou l’usinabilité en fonction de l’application.

Types d’acier au carbone par teneur en C

Les plages de carbone sont indicatives ; chaque norme/standard peut utiliser des limites légèrement différentes.

1) Bas carbone (acier « doux ») – jusqu’à ≈ 0,25 % C

• Caractéristiques : très bonne ductilité et soudabilité ; facile à façonner.
• Utilisations typiques : tôles et bobines pour carrosserie, profilés structuraux légers, visserie standard, éléments de chaudronnerie, tuyauterie à usage général.

2) Moyen carbone – ≈ 0,25 % à 0,60 % C

• Caractéristiques : équilibre entre résistance et ténacité ; admet la trempe et le revenu.
• Utilisations typiques : essieux, bielles, engrenages modérés, composants de machines, pièces nécessitant une plus grande résistance à l’usure qu’un acier à bas carbone.

3) Haut carbone – ≈ 0,60 % à 1,25 % C

• Caractéristiques : très durs et résistants à l’usure après traitement thermique ; ductilité plus faible.
• Utilisations typiques : ressorts, outils de coupe, lames, scies, câbles à haute résistance.

4) Ultra-haut carbone – > ≈ 1,25 % C

• Caractéristiques : dureté extrême après trempe, faible usinabilité ; utilisation spécialisée.
• Utilisations typiques : outils de haute précision, coutellerie de qualité, matrices et poinçons spécifiques.

Note technique : dans les aciers à bas carbone, la carburation (cémentation) est courante pour durcir uniquement la surface, en conservant un noyau tenace. C’est une stratégie différente de l’utilisation directe d’un acier à haute teneur en carbone, qui durcit en volume.

Propriétés clés de l’acier au carbone

• Résistance mécanique : supporte des charges élevées ; réglable via la composition et les traitements.
• Dureté et résistance à l’usure : particulièrement élevées dans les aciers à moyen et haut C traités thermiquement.
• Ténacité : bonne dans les aciers à bas C ; peut être optimisée par normalisation ou revenu.
• Ductilité et malléabilité : excellentes dans les aciers doux, ce qui facilite l’estampage et le façonnage.
• Soudabilité : très bonne dans les aciers à bas C ; diminue avec l’augmentation du carbone (nécessite des procédures contrôlées).
• Usinabilité : variable ; s’améliore avec les états recuits et les ajouts mineurs d’éléments tels que le Pb (dans les qualités spécifiques).

Avantages par rapport à d’autres familles d’acier

• Rapport coût-performances très compétitif.
• Large disponibilité de qualités, de formats et de normes (EN, ASTM, ISO).
• Processus industriels matures : laminage, soudure, usinage et traitements thermiques standardisés.
• Adaptabilité : des pièces fines et façonnées aux composants soumis à la fatigue ou à l’usure.
• Protection anticorrosion flexible : peintures, galvanisation, métallisation, revêtements organiques, etc.

Utilisations courantes

• Construction et structures métalliques : poutres, profilés, tôles, armatures et éléments d’assemblage.
• Automobile et transport : carrosseries, châssis, essieux, ressorts, composants de suspension.
• Biens d’équipement et machines : engrenages, essieux, broches, rouleaux, outillages.
• Outils et coupe : lames, scies, poinçons, matrices (selon la qualité).
• Tuyauterie et récipients : lignes de processus, réservoirs atmosphériques, chaudronnerie générale.

Traitements thermiques courants

• Recuit : ramollit et homogénéise ; améliore l’usinabilité et la ductilité.
• Normalisation : affine le grain et améliore la ténacité/résistance de manière équilibrée.
• Trempe et revenu : augmente la dureté/résistance et ajuste la ténacité au niveau cible.
• Carburation (cémentation) + trempe : durcit la surface des aciers à bas C en conservant un noyau tenace.

Questions fréquentes