Acier mi-dur : caractéristiques mécaniques

L’acier mi-dur occupe une position stratégique entre acier doux facile à mettre en forme et acier dur très résistant mais parfois fragile. Pour un concepteur mécanique, un responsable méthodes ou un acheteur technique, bien comprendre les caractéristiques mécaniques de ces aciers intermédiaires conditionne directement la fiabilité des arbres, engrenages, axes, bielles ou pièces de sécurité. La montée en puissance des aciers haute performance dans l’automobile, l’énergie ou les engins de travaux publics rend ce sujet encore plus actuel. Face à des cahiers des charges exigeants, vous avez besoin de chiffres précis, mais aussi d’une vision claire des compromis entre dureté, résistance, résilience et soudabilité. C’est exactement ce que permet une analyse rigoureuse des aciers mi-durs, de leur microstructure et de leurs traitements thermiques.

Définition métallurgique de l’acier mi-dur : plage de dureté brinell, classes de nuance et normes (EN 10083, AISI, NF)

Classification des aciers mi-durs selon la dureté (HB 180–260) et la limite d’élasticité re

Dans la pratique industrielle, un acier est qualifié de mi-dur lorsqu’il présente à l’état livré une dureté Brinell typiquement comprise entre HB 180 et HB 260. Cette plage correspond souvent à une limite d’élasticité Re de l’ordre de 350 à 550 MPa et à une résistance à la traction Rm située entre 550 et 800 MPa, selon la nuance et l’épaisseur. Comparé à un acier doux (~110 HB, Re ≈ 200–250 MPa), l’acier mi-dur offre un gain significatif de capacité portante et une meilleure tenue à l’usure, tout en gardant une ductilité suffisante pour le formage à froid léger et certains procédés de soudage maîtrisés. Pour un choix de nuance adapté, la consultation des tableaux de propriétés dans les normes produits comme EN 10083 (aciers trempants et revenus) ou NF EN 10250 (produits forgés) reste la référence.

Nuances typiques d’aciers mi-durs : C35E, C45E, 42CrMo4, 40CrMnMo7 et équivalents AISI 1045, 4140

Les aciers mi-durs les plus courants en construction mécanique sont les aciers non alliés au carbone et les aciers faiblement alliés. Parmi les non alliés, les nuances C35E (~0,35 % C) et C45E (~0,45 % C) sont emblématiques pour arbres, axes, pièces de liaison. Côté aciers alliés, 42CrMo4 (équivalent AISI 4140) et 40CrMnMo7 combinent carbone, chrome, manganèse et molybdène pour offrir une excellente trempabilité et une bonne résistance à la fatigue. L’équivalent AISI 1045 correspond globalement à C45. Ces nuances sont explicitement décrites dans EN 10083‑1/2/3, avec des gammes garanties de Rm, Re, A% et KV. Pour un projet international, cette double référence EN / AISI sécurise vos spécifications et vos appels d’offres multi-fournisseurs.

Dans des gammes plus spécialisées, des nuances comme 34CrNiMo6 ou 30CrNiMo8, parfois classées mi-dures à l’état normalisé, permettent des niveaux de résistance supérieurs après trempe-revenu, tout en gardant une ténacité acceptable pour les pièces critiques de transmission d’énergie.

Influence de la teneur en carbone (0,30–0,50 % C) sur la transition acier doux / acier dur

La plage de 0,30 à 0,50 % de carbone correspond à la vraie zone de transition entre acier doux et acier dur. En dessous d’environ 0,25 % C, l’acier reste très malléable, facilement soudable, mais sa dureté et sa limite élastique restent modestes. À partir de ~0,30 % C, l’augmentation de la fraction de perlite dans la microstructure élève naturellement la dureté, la résistance à la traction et la capacité de trempe. Autour de 0,45 % C, un acier comme C45 peut atteindre après trempe des duretés de 55–58 HRC, au prix d’une baisse marquée de soudabilité et d’une sensibilité accrue aux criques si les traitements ne sont pas maîtrisés. Au-delà de 0,60 % C, on bascule vers des aciers durs ou extra-durs, plus proches des aciers à outils, où la ductilité diminue rapidement.

Dans la conception, penser la teneur en carbone comme un « curseur » qui fait glisser l’acier d’un état souple et très soudable vers un état extrêmement dur mais plus fragile aide à visualiser les compromis mécaniques.

Rôles des principaux éléments d’alliage (mn, cr, mo, ni) dans les aciers mi-durs de construction

Outre le carbone, les aciers mi-durs tirent leurs performances de quelques éléments d’alliage clés. Le manganèse (0,6–1,5 %) améliore la trempabilité et la résistance, tout en contribuant à la désoxydation. Le chrome (1–1,5 % dans 42CrMo4) limite la croissance de grain, durcit légèrement la matrice et renforce la résistance à l’usure et à la corrosion modérée. Le molybdène (0,15–0,3 %) réduit la fragilisation par revenu et améliore la résistance à chaud, un point crucial pour les aciers soumis à des contraintes thermiques. Le nickel, présent dans certaines nuances (34CrNiMo6), augmente la ténacité, en particulier à basse température. La combinaison judicieuse de ces éléments permet d’obtenir un acier mi-dur qui reste soudable et tenace, tout en acceptant des traitements thermiques intensifs.

Principales caractéristiques mécaniques des aciers mi-durs à l’état normalisé

Résistance à la traction rm et limite d’élasticité ReH : plages usuelles et exemples chiffrés (C45E, 42CrMo4)

À l’état normalisé (recuit de normalisation), un acier mi-dur présente un couple Rm / Re équilibré. À titre indicatif, un C45E laminé et normalisé affiche généralement Rm ≈ 600–800 MPa, ReH ≈ 350–500 MPa et une dureté de l’ordre de 180–220 HB selon la section. Un 42CrMo4 à l’état QT (trempé-revenu) peut atteindre Rm ≈ 900–1100 MPa et ReH ≈ 750–900 MPa, avec une dureté autour de 270–320 HB, tout en restant classé mi-dur en comparaison des aciers ultra-durs type HARDOX 400–450 (> 400 HB). Ces valeurs, encadrées par EN 10083 et EN ISO 6892‑1 pour l’essai de traction, offrent une base robuste pour le dimensionnement à la traction simple, à la flexion ou à la torsion dans la plupart des applications mécaniques courantes.

Allongement à rupture A% et striction Z% : comportement ductile vs. semi-fragile selon EN ISO 6892‑1

La vraie « personnalité » d’un acier mi-dur se lit aussi dans son allongement à rupture A% et sa striction Z%. Pour un C45E normalisé, un allongement typique se situe entre 16 et 20 %, avec une striction d’environ 40–50 %, ce qui traduit un comportement encore nettement ductile. Pour un 42CrMo4 trempé-revenu, A peut descendre autour de 12–14 %, surtout aux plus hauts niveaux de résistance, signe d’un comportement semi-fragile en traction pure, mais généralement acceptable pour des pièces de transmission travaillant en flexion-torsion. EN ISO 6892‑1 définit précisément les modalités de mesure de ces paramètres (vitesse de déformation, longueur d’éprouvette), afin de comparer objectivement des aciers de nuances et de traitements différents. Lorsqu’un projet exige une forte ductilité (emboutissage, cintrage sévère), un acier mi-dur à A faible ne sera pas le meilleur candidat.

Résilience charpy KV à température ambiante et à basse température (−20 °C, −40 °C)

La résilience, mesurée par l’essai Charpy KV, est un indicateur clé pour juger la ténacité d’un acier mi-dur soumis à des chocs ou à des sollicitations dynamiques. À température ambiante, un C45E normalisé présente typiquement des valeurs de 30–40 J sur éprouvette ISO V, tandis qu’un 42CrMo4 QT bien revenu peut dépasser 40–60 J, voire plus avec un revenu adapté. La baisse de température modifie fortement ce panorama : à −20 °C, de nombreux aciers non alliés voient leur KV chuter en dessous de 27 J, alors que certaines nuances alliées restent au-dessus de ce seuil, suivant les exigences de normes comme EN 10025 pour les aciers de construction. À −40 °C, la transition ductile-fragile devient critique, surtout pour les zones soudées. Pour un équipement en climat froid ou en environnement cryogénique, ignorer cette courbe de transition de résilience revient à jouer avec la sécurité.

Un acier mi-dur peut paraître « sûr » en traction lente, mais la vraie marge de sécurité se révèle souvent dans la combinaison KV à basse température et résistance à la fatigue.

Évolution de la dureté brinell, vickers et rockwell C après normalisation ou revenu modéré

À l’état brut de laminage, la dureté peut être légèrement plus élevée en raison des contraintes internes et de l’écrouissage partiel. Le recuit de normalisation homogénéise la microstructure et ramène la dureté dans la plage typique des aciers mi-durs (180–260 HB). Après trempe et revenu modéré, la dureté peut basculer vers des valeurs plus élevées, souvent convertibles en HRC ou HV. Par exemple, un C45 trempé puis revenu vers 550 °C affichera environ 220–240 HB (~95–105 HRB), tandis qu’un 42CrMo4 trempé puis revenu à 500 °C pourra atteindre 285–320 HB (~30–35 HRC). Des corrélations normalisées, comme celles données dans EN ISO 18265 ou ASTM A370/E140, permettent d’estimer la résistance à la traction à partir de la dureté, avec prudence. Pour vous, cela signifie qu’un simple contrôle de dureté en atelier via duromètre peut fournir un premier diagnostic de conformité mécanique.

Microstructure et comportement mécanique : perlite, ferrite, bainite et martensite dans les aciers mi-durs

Microstructure ferrito-perlitique typique après laminage et recuit de normalisation

À l’état normalisé, la microstructure d’un acier mi-dur au carbone tel que C35E ou C45E est classiquement ferrito-perlitique. La ferrite, phase douce et ductile, coexiste avec la perlite, plus dure, formée de lamelles alternées de ferrite et de carbure de fer. Plus la teneur en carbone augmente, plus la fraction volumique de perlite progresse, ce qui explique la hausse naturelle de dureté et de résistance mécanique. La taille de grain, contrôlée par les paramètres de laminage et de normalisation, influe directement sur la limite d’élasticité (relation de Hall-Petch). Une microstructure fine et homogène apporte un meilleur compromis résistance–ténacité. À l’inverse, un grossissement de grain se traduit souvent par une transition ductile-fragile plus défavorable et une sensibilité accrue aux entailles.

Formation de martensite et bainite dans les aciers mi-durs alliés (42CrMo4, 34CrNiMo6) après trempe

Lors d’une trempe depuis la zone austénitique, un acier mi-dur allié comme 42CrMo4 ou 34CrNiMo6 peut se transformer en microstructure martensitique quasi complète, à condition que la vitesse de refroidissement dépasse la vitesse critique définie par les courbes TTT ou CCT. La martensite, très dure et fragile à l’état brut, est ensuite adoucie par un revenu pour regagner de la ténacité. Selon la vitesse de refroidissement, une fraction de bainite peut également apparaître, offrant souvent un excellent compromis dureté–tenacité, notamment pour les pièces soumises à la fatigue. Dans les sections épaisses ou les zones peu trempables, une structure mixte martensite + bainite + perlite peut subsister, créant une hétérogénéité de propriétés entre surface et cœur qu’il faut intégrer dans les calculs de tenue en service.

Relation microstructure–propriétés : taille de grain, précipités carbures, anisotropie mécanique

Les propriétés mécaniques d’un acier mi-dur ne dépendent pas que de la composition globale, mais aussi de la finesse des grains, de la distribution des carbures et de l’anisotropie induite par le laminage. Des carbures fins et bien dispersés (carbures de Cr, Mo) renforcent la matrice et retardent la propagation des microfissures. À l’inverse, des carbures grossiers ou des alignements défavorables peuvent servir d’amorces de rupture. L’orientation des grains liée au sens de laminage provoque souvent une légère anisotropie : la ténacité et la résistance à la fatigue peuvent être meilleures dans un sens que dans l’autre. Pour une conception critique (arbres de transmission, essieux) vous avez tout intérêt à préciser le sens de laminage ou de forge dans le plan de définition, afin d’aligner au mieux la direction de fibre avec les contraintes principales.

Courbes TTT et CCT : analyse de la trempabilité et des vitesses de refroidissement critiques

Les courbes TTT (Time-Temperature-Transformation) et CCT (Continuous Cooling Transformation) sont des outils essentiels pour analyser la trempabilité d’un acier mi-dur. Elles indiquent, pour une nuance donnée, les domaines de températures et de temps où se forment ferrite, perlite, bainite ou martensite. Pour un 42CrMo4, ces courbes montrent par exemple que la « baie perlitique » est suffisamment décalée pour permettre la formation de martensite sur des sections bien plus épaisses qu’un C45 non allié, à vitesse de refroidissement identique. Concrètement, cela signifie que vous pouvez tremper des arbres de plus gros diamètre sans perte de dureté au cœur. L’analyse de ces courbes permet aussi de choisir le milieu de trempe (eau, huile, polymère) qui garantit une vitesse suffisante pour obtenir la structure visée, sans excès de sévérité générateur de contraintes internes et de criques.

Traitements thermiques des aciers mi-durs et impact sur les propriétés mécaniques

Trempe à l’eau, à l’huile ou aux polymères : dureté maximale atteignable et risques de criques

La trempe constitue le levier principal pour augmenter la dureté et la résistance des aciers mi-durs. Un acier C45 peut atteindre en martensite brute une dureté supérieure à 55 HRC, tandis qu’un 42CrMo4 peut monter autour de 58–60 HRC, avant revenu. La sévérité du milieu de trempe conditionne la vitesse de refroidissement : l’eau est très sévère, l’huile plus douce, les solutions polymères permettent un réglage intermédiaire. Une trempe trop sévère augmente le risque de criques, de déformations et de contraintes résiduelles élevées, surtout sur des géométries complexes ou des sections épaisses. Pour un acier mi-dur allié à bonne trempabilité, la trempe à l’huile ou au polymère offre souvent le meilleur compromis entre profondeur durcie et intégrité de la pièce. Un contrôle rigoureux de la température de bain et du temps de maintien fait la différence entre un traitement reproductible et un lot non conforme.

Revenu basse et moyenne température (200–600 °C) : compromis résistance–tenacité

Après trempe, le revenu permet d’ajuster les caractéristiques mécaniques en transformant une martensite fragile en martensite revenue plus tenace. Un revenu basse température (200–250 °C) augmente la ténacité sans trop diminuer la dureté, mais laisse parfois persister une fragilité relative, notamment en choc. Un revenu moyenne température (450–600 °C) diminue davantage la dureté (perte de quelques points HRC) mais améliore fortement la résilience et la stabilité dimensionnelle. Dans les aciers mi-durs comme 42CrMo4, le diagramme Rm / KV en fonction de la température de revenu montre souvent une « zone optimale » autour de 500–550 °C, très utilisée pour les composants de transmission soumis à fatigue et chocs modérés. L’ajustement fin de ce revenu constitue une véritable « mise au point » métallurgique pour aligner le matériau sur le profil de chargement réel de la pièce.

Traitements thermochimiques (cémentation, nitruration) sur aciers mi-durs faiblement alliés

Les aciers mi-durs faiblement alliés peuvent aussi recevoir des traitements thermochimiques pour combiner cœur tenace et surface très dure. La cémentation augmente localement la teneur en carbone en surface avant trempe, permettant d’atteindre des duretés de 58–62 HRC sur 0,8–1,5 mm de profondeur, tout en conservant un cœur autour de 30–35 HRC. Ce procédé convient toutefois mieux aux aciers à plus faible carbone (0,15–0,25 %), mais certains aciers mi-durs adaptés peuvent être utilisés selon les spécifications. La nitruration, quant à elle, forme en surface des nitrures durs (CrN, Fe2–3N) à basse température (~500–550 °C) sans trempe ultérieure. Sur un 42CrMo4 nitrurable, une couche de quelques dixièmes de millimètre peut atteindre 900–1100 HV, améliorant fortement la résistance à l’usure et à la fatigue de contact, avec un risque de déformation très limité.

Cas pratique : cycle de traitement thermique d’un acier C45 pour arbres de transmission

Pour un arbre de transmission en C45 soumis à torsion alternée, un cycle typique peut comporter :

1. Recuit de normalisation (≈ 880 °C puis refroidissement à l’air) pour homogénéiser la microstructure ferrito-perlitique.
2. Austénitisation (≈ 840–850 °C) avec maintien adapté à l’épaisseur pour dissoudre les carbures et obtenir une austénite homogène.
3. Trempe à l’huile pour limiter les déformations tout en assurant une transformation martensitique suffisante sur la section.
4. Revenu autour de 540–560 °C pour viser une dureté de 28–32 HRC, offrant un bon compromis entre résistance, ténacité et usinabilité de finition.

Un tel cycle permet d’obtenir une Rm d’environ 800–900 MPa avec une résilience correcte à température ambiante. Pour améliorer encore la tenue en fatigue, un grenaillage de précontrainte en surface peut compléter le traitement, en introduisant des contraintes résiduelles compressives.

Influence des contraintes résiduelles et du revenu de détente sur la fatigue en service

Les opérations de soudage, de trempe ou même d’usinage massif génèrent des contraintes résiduelles qui peuvent fortement influencer la fatigue. Des contraintes de traction internes s’ajoutent aux contraintes de service et accélèrent la propagation des microfissures. Un revenu de détente autour de 550–650 °C (en dessous de la température de transformation) permet de relâcher une partie de ces contraintes sans modifier profondément la microstructure. Sur un acier mi-dur, ce type de traitement est particulièrement pertinent après soudage ou après une trempe sévère. En complément, des procédés de finition comme le grenaillage ou le roulage de filet introduisent des contraintes résiduelles compressives en surface, connues pour doubler, voire tripler, la limite d’endurance de certains arbres ou ressorts. Pour vous, intégrer ces traitements dans le cycle global permet de sécuriser les durées de vie en fatigue.

Comportement en fatigue, usure et contraintes de contact des aciers mi-durs

En service réel, un acier mi-dur est rarement sollicité en traction monotone. Les efforts alternés, les vibrations et les contacts répétés dominent dans les transmissions, engrenages, cames ou cheminements de roulement. La résistance à la fatigue dépend principalement de la limite d’élasticité, de l’état de surface, des contraintes résiduelles et de la présence d’inclusions ou de défauts de surface. Des essais de flexion rotative ou de torsion alternée montrent qu’un C45 trempé-revenu à ~30 HRC possède une limite d’endurance typique de 0,4–0,5 Rm en air sec. L’usure par abrasion ou par roulement-glissement dépend à la fois de la dureté de surface et de la propreté métallurgique. Des aciers mi-durs trempés-revenus ou nitrurés offrent une bien meilleure tenue aux contraintes de contact (pitting, micro-écaillage) que les mêmes nuances à l’état recuit. Une rugosité adaptée (Ra faible, absence de rayures profondes) réduit les pics de contrainte locale et retarde l’initiation de fissures.

Pour un composant soumis à la fatigue de contact, un acier mi-dur correctement traité et nitruré vaut souvent davantage qu’un acier plus dur mais mal maîtrisé sur le plan microstructural.

Les normes d’essais de fatigue par contact et les recommandations de design des engrenages (ISO 6336, par exemple) tiennent compte de la dureté, de l’épaisseur de couche durcie et de la qualité métallurgique. Sur un engrenage en 42CrMo4, viser ~58 HRC en surface avec un revenu adapté, puis ajouter une finition par rectification contrôlée, permet de concilier rendement mécanique, durée de vie et niveau sonore réduit.

Choix d’un acier mi-dur pour la conception mécanique : critères de dimensionnement et exemples industriels

Le choix d’un acier mi-dur ne se résume jamais à une simple valeur de Rm. Pour un dimensionnement pertinent, plusieurs critères doivent être mis en balance : niveau de contrainte statique et alternée, spectre de chargement (chocs, démarrages fréquents, surcharge possible), environnement (corrosion, température), procédé de fabrication (forge, usinage, soudage) et conditions d’entretien. Un constructeur de machines privilégiera souvent C45E ou 42CrMo4 pour des arbres et axes, car ces nuances acceptent bien les traitements thermiques et offrent une bonne répétabilité des propriétés. Dans le secteur des engins de travaux publics, des aciers mi-durs alliés, parfois associés à des tôles anti-abrasion de type HARDOX pour les parties fortement sollicitées, assurent un compromis intéressant entre dureté de surface et résilience du cœur, indispensable face aux impacts répétés et à l’abrasion.

Pour guider ce choix, un tableau comparatif synthétique peut servir de base :

En phase de conception, il est utile de se poser quelques questions clés : le composant doit-il être soudé sur site ou uniquement usiné et monté ? L’environnement implique-t-il des températures très basses ou des chocs violent ? Quelle marge de sécurité est nécessaire en fatigue à long terme (10⁶–10⁷ cycles) ? Les réponses orientent naturellement vers un acier mi-dur plus ou moins allié, avec ou sans traitement thermique, et avec un niveau de dureté de surface ajusté. Un arbre de transmission soudé sur une bride demandera, par exemple, une teneur en carbone plus faible et une attention particulière à l’indice de carbone équivalent, alors qu’un axe monobloc forgé pourra exploiter pleinement les performances d’un 42CrMo4 trempé-revenu, complété par des traitements de surface adaptés aux zones de contact.