De nombreuses personnes ont du mal à décider s'il faut choisir la fonte ou l'acier pour leurs projets. Cette erreur peut, à son tour, entraîner une augmentation des dépenses au fil du temps. Dans cet article, nous examinerons les principales différences ainsi que les avantages et les inconvénients des deux matériaux.
Qu'est-ce que la fonte ?
La fonte est un type de fer obtenu par fusion d'alliages fer-carbone contenant 2 % ou plus de carbone. Elle peut contenir de 1 à 3 % de silicium et d'autres impuretés telles que le phosphore, le manganèse et le soufre.
Qu'est-ce que l'acier?
Acier L'acier est aussi un type de fer, mais il contient moins de 2 % de carbone et environ un pour cent de manganèse ainsi que de petites quantités de soufre, d'oxygène, de phosphore et de silicium. L'acier est l'un des métaux les plus utilisés dans notre vie. Il est utilisé dans la construction, les voitures, les machines à laver, les réfrigérateurs, presque partout.
Fonte vs acier – 5 différences principales
1. Différences dans les propriétés mécaniques
Dureté
La fonte a une résistance plus élevée Dureté Brinell de 179 à 444 HB que l'acier de 156 à 537 HB. Cette dureté de surface plus élevée donnera une meilleure résistance à l'usure et à l'extrusion.
Fragilité
La structure en lamelles de graphite de la fonte la rend plus fragile et sujette à des fractures soudaines sous contrainte. En revanche, la structure de la matrice cristalline de l'acier est plus ductile.
Résistance à la traction
L'acier a une résistance à la traction supérieure (70 à 150 ksi) à celle de la fonte (20 à 60 ksi). Cela signifie que l'acier peut supporter une force de traction plus importante avant de se rompre.
Résistance à la compression
La fonte a une résistance à la compression de 63-71 kN/cm², ce qui est plutôt inférieur à celle de l'acier qui est de 475-252 kN/cm².
Ductilité
L'acier présente une ductilité supérieure avec un allongement de 22 à 24 %. La fonte présente un allongement maximal de 6 à 18 % avant rupture.
Résistance aux chocs
La capacité de l'acier à absorber des forces soudaines sans déformation confère à ce matériau un avantage en termes de résistance aux chocs. En revanche, la structure cristalline de la fonte la rend sujette aux fractures sous l'effet des chocs.
Résistance à la fatigue
L'acier présente une meilleure résistance à la fatigue (sous charge cyclique) en raison des limites de flexion rotative de 225 à 240 MPa, tandis que la fonte présente une endurance inférieure de 134 à 140 MPa.
Résistance à l'usure
La structure perlitique de la fonte avec des paillettes de graphite réparties lui confère une meilleure résistance à l'usure que l'acier. D'autre part, l'acier a besoin d'éléments d'alliage particuliers pour obtenir une durabilité de surface similaire.
Usinabilité et soudabilité
Le graphite dans la fonte facilite l'usinage grâce à la formation discontinue de copeaux. Mais sa fragilité rend le soudage difficile. Alors que l'acier a une meilleure soudabilité, l'usinabilité varie selon la nuance.
2. Différences dans les propriétés chimiques
Composition de la fonte et de l'acier
| Élément | Acier (%) | Fonte (%) |
|---|---|---|
| Fer | 98.0 | 90.0 |
| Silicone | 0.2 | 3.0 |
| Carbon | 0.5 | 2.5 |
| Chromium | 0.1 | 0.1 |
| Phosphore | 0.04 | 0.1 |
| Soufre | 0.01 | 0.1 |
| Nickel | 0.5 | 0.3 |
| Manganèse | 0.6 | 0.5 |
Résistance à la corrosion
La fonte, grâce à ses capacités anticorrosion exceptionnelles, peut résister à la rouille superficielle, tandis que l'acier, afin de garantir sa résistance maximale à la corrosion, nécessite des revêtements protecteurs.
Réactivité aux acides et aux alcalis
Dans un environnement acide, la fonte à haute teneur en silicium résiste aux concentrations de H2SO4 et H3PO4. Mais l'acier standard se dégrade rapidement dans les acides à moins d'être revêtu.
3. Différences dans les propriétés thermiques
Conductivité thermique
La distribution de la chaleur dans la fonte est meilleure que dans l'acier inoxydable, avec une conductivité thermique de 52 W/mK et 14 W/mK respectivement. Cette conductivité plus élevée assure un chauffage uniforme sur toutes les surfaces.
Dilatation thermique
La fonte présente une plus grande stabilité dimensionnelle face aux changements de température que l'acier. coefficient de dilatation thermique (11.0 × 10⁻⁶/°C) est également inférieure à celle de l'acier au carbone (12.2 × 10⁻⁶/°C).
Point de fusion
Les points de fusion varient également entre ces deux matériaux. La fonte fond à des températures beaucoup plus basses (1127-1204 °C) que l'acier (1371-1593 °C). Elle est donc plus économe en énergie pour les opérations de coulée.
4. Applications de la fonte et de l'acier
Les caractéristiques de ces matériaux métallurgiques déterminent également leur utilisation dans différentes industries. Ils sont principalement utilisés dans les domaines suivants.
- Composants automobiles : La fonte est utilisée pour la fabrication de culasses, de rotors de frein et de blocs moteurs de véhicules, tandis que l'acier est utilisé pour les panneaux de carrosserie, les cadres de châssis et les composants de suspension.
- Tuyaux et tubes : Les tuyaux en fonte sont utilisés dans les conduites d'eau municipales et les systèmes d'égouts souterrains. Les tuyaux en acier sont quant à eux plus adaptés aux conduites de pétrole, aux réseaux de gaz et même aux tubes hydrauliques de haute précision.
- Machinerie lourde: La fonte, qui présente une meilleure capacité d'amortissement des vibrations et une meilleure stabilité, est un matériau de premier plan pour la fabrication de bases de machines-outils, de bancs de tours et de bâtis de presses industrielles. Parallèlement, l'acier est utilisé dans les engrenages, les arbres de transmission et les roulements hautes performances des équipements industriels.
- Ustensiles de cuisine et batterie de cuisine : La rétention thermique de la fonte (52 W/mK) et son assaisonnement naturel en font également un matériau idéal pour les cuissons à forte chaleur. Elle est principalement utilisée dans les poêles à frire, les fours hollandais et les plaques de cuisson robustes, tandis que l'acier inoxydable est utilisé dans les poêles, les ustensiles, les casseroles et les plateaux de service.
- Construction et infrastructures : Les projets de construction et d'infrastructure utilisent les deux matériaux. La résistance élevée à la compression de la fonte est utilisée dans la fabrication bouche d'égoût, grilles de drainage et façades décoratives. L'acier est utilisé dans la construction moderne dans les poutres structurelles, les supports de ponts et les barres d'armature.
5. Analyse des coûts de la fonte par rapport à l'acier
La fonte est moins chère à produire. Ses qualités de base coûtent entre 187 et 231 dollars la tonne, tandis que certaines qualités peuvent coûter jusqu'à 1000 400 dollars. En revanche, l'acier est plus cher. L'acier standard coûte entre 700 et 1200 dollars la tonne et certains aciers inoxydables peuvent atteindre 2000 XNUMX à XNUMX XNUMX dollars en raison d'un processus d'alliage complexe. Bien que le coût initial soit élevé, l'acier est généralement un meilleur investissement à long terme.
Fonte vs acier – Fiche technique
| Propriétés | Gamme Fonte | Gamme Acier | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Module d'élasticité | 100 – 140 GPa | 190 – 210 GPa | Cette gamme se compose de fontes ductiles, compactes, malléables, grises et de types d'acier à outils, allié, au carbone et inoxydable. |
| Dureté Brinell | 160 – 320 HB | 120 – 600 HB | Ceux-ci sont courants pour les fontes ductiles et grises, tandis que l'acier présente une plage de dureté plus large |
| Résistance à la traction – Limite d'élasticité | 100 à 200 MPa | 250 à 1000 MPa | Les types d'acier, du doux à l'acier inoxydable, présentent une plage de limite d'élasticité supérieure |
| Résistance à la traction – ultime | 150 à 400 MPa | 400 à 2000 MPa | Il comprend des gammes allant de la fonte grise à la fonte ductile (la plus élevée) et de l'acier à faible teneur en carbone à l'acier allié |
| Allongement à la rupture | 0.3 à 0.8% | 10 à 25% | Différents types d'acier austénitique, duplex et à haute teneur en carbone présentent une ductilité beaucoup plus élevée |
| Densité | 7.1 - 7.3 g/cc | 7.75 - 8.05 g/cc | Les fontes grises et ductiles ont une densité inférieure à celle de la plupart des aciers |
| Conductivité thermique | 36 – 46 W/m·K | 45 – 60 W/m·K | Leurs valeurs varient en fonction de la teneur en graphite de la fonte |
| Point de fusion | 1150 - 1250 ° C | 1450 - 1520 ° C | Toutes les fontes ont une plage similaire, mais l'acier a une plage différente pour l'acier à outils (la plus élevée) et l'acier au carbone (la plus basse). |
Avantages et inconvénients de la fonte par rapport à l'acier
Chaque matériau a ses forces et ses faiblesses. Voici quelques avantages et inconvénients importants de chacun.
Avantages de la fonte
- La structure en graphite permet une coupe uniforme des copeaux et diminue l'usure des outils lors des opérations d'usinage.
- Les paillettes de graphite de la fonte qui servent de lubrifiant minimisent la friction et l'usure et, par conséquent, les composants, qui sont généralement soumis à des contraintes, durent plus longtemps et sont plus durables.
- Les paillettes de graphite dans la fonte sont responsables de l'absorption ou de l'amortissement des vibrations qui peuvent être utilisées pour augmenter la productivité dans des circonstances mécaniques.
- En raison de sa fluidité exceptionnelle et de son faible retrait, la fonte peut être moulée dans des formes complexes, voire peu profondes, avec une grande précision dimensionnelle.
Inconvénients de la fonte
- La fonte a tendance à rouiller si elle entre en contact avec l'humidité, ce qui nécessite alors de recouvrir constamment le matériau de revêtements protecteurs pour augmenter sa durée de vie.
- Le matériau est trop dense pour des applications légères, ce qui augmente les coûts de manutention et diminue la compétence.
Avantages de l'acier
- L'acier conserve son intégrité structurelle dans des conditions agressives grâce à une liaison moléculaire impressionnante et à une structure cristalline, ce qui le rend résistant à la déformation et à la fatigue.
- Le plus grand avantage de l’acier est sa grande résistance qui lui permet de rester durable dans les applications avec une capacité de charge et une charge mécanique élevées.
- La production d’acier est un processus moins gaspilleur et il aide également à récupérer le métal grâce au processus de séparation magnétique.
- L’acier est intrinsèquement résistant à la corrosion et à l’usure, ce qui diminue les besoins de réparation, réduisant ainsi les temps d’arrêt et les dépenses de maintenance.
Inconvénients de l'acier
- La production d'acier produit un bruit élevé (110-115 dB) et nécessite une protection auditive dans un environnement industriel.
- Les contraintes cycliques continues peuvent provoquer une défaillance par fatigue dans les composants en acier qui sont chargés et déchargés au fil du temps.
Fonte ou acier : quel matériau choisir ?
Le choix entre la fonte et l'acier dépend des exigences particulières de l'application. Si vous recherchez un matériau capable de supporter de lourdes charges, de résister à la tension et d'avoir une résistance à la traction exceptionnelle, l'acier est le meilleur choix. C'est le choix parfait pour les utilisations structurelles et les pièces de machines qui se fatiguent en raison de contraintes fréquentes. Néanmoins, si votre tâche implique un usinage pratique ainsi que l'art de former des contours complexes avec une grande précision, la fonte est un choix de premier ordre.
Conclusion
Les exigences techniques de la fonte et de l'acier sont différentes car leurs caractéristiques ne sont pas les mêmes. La fonte est plus adaptée à la compression et à la gestion thermique et elle est également moins chère. L'acier, quant à lui, est plus adapté aux applications à fortes contraintes en raison de sa résistance élevée à la traction et aux chocs. En fin de compte, cela dépend des besoins de votre application.
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FAQ
La fonte est-elle plus résistante que l’acier ?
La fonte a une plus grande résistance à la compression tandis que l'acier a une meilleure résistance à la traction et aux chocs. La résistance de l'un ou l'autre dépend généralement de l'application.
Comment identifier la fonte et l'acier moulé ?
La comparaison entre la fonte et l'acier est possible au moyen du test à 3 étincelles (le fer produit des étincelles rouges/oranges tandis que l'acier donne du jaune), du test de limage (le fer produit de la poussière grise et l'acier des copeaux argentés) et du test de perçage.
Lequel est le meilleur pour les applications structurelles ?
L'acier est meilleur. Sa plus grande résistance aux chocs, sa ductilité et sa solidité sont les raisons pour lesquelles il est principalement utilisé pour les structures à forte charge comme les ponts.
La fonte a-t-elle besoin d’être assaisonnée ?
Oui, l'enduit est nécessaire pour la fonte. Il crée une couche d'huile à haute température qui produit une surface antiadhésive qui améliore la cuisson et empêche la rouille.
La fonte est-elle plus lourde que l’acier ?
Oui, la fonte a une densité plus élevée (7.2 g/cm³) que l'acier (7.85 g/cm³). Elle est donc plus lourde et donc plus adaptée aux cas d'utilisation qui nécessitent de la stabilité.
