Dans presque tous les ateliers de mécanique, les aciers XC circulent sans faire de bruit, mais structurent une grande partie des pièces critiques. Qu’il s’agisse d’un axe, d’un ressort plat ou d’une lame de couteau industriel, vous avez probablement déjà spécifié un acier XC10, XC38 ou XC60 sans toujours détailler ce qui se cache derrière cette désignation. Comprendre en profondeur la composition, les microstructures et les traitements thermiques de ces aciers carbone reste pourtant un levier essentiel pour fiabiliser vos conceptions, sécuriser vos gammes d’usinage et maîtriser vos coûts de production sur le long terme.
Les aciers XC forment une famille cohérente, régie par des normes NF et EN, qui permet de couvrir un spectre très large de besoins : du simple boulon à la pièce de transmission sollicitée en fatigue. En affinant votre lecture des nuances XC et de leurs équivalents internationaux, il devient beaucoup plus simple de choisir la bonne teneur en carbone, le bon cycle de trempe-revenu et, au final, d’obtenir exactement le compromis dureté/résilience recherché.
Composition chimique des aciers XC : teneur en carbone, éléments résiduels et désignations NF/EN
Gamme de teneur en carbone des aciers XC (XC10 à XC90) et impact sur la trempabilité
La désignation XC identifie des aciers au carbone « fins pour traitements thermiques » selon l’ancienne norme NF A 35‑551. Le principe est simple : le nombre qui suit correspond à la teneur moyenne en carbone multipliée par 100. Ainsi, un acier XC10 contient environ 0,10 % de C, un XC48 environ 0,48 %, et un XC80 autour de 0,80 % de carbone. La gamme courante s’étend de XC10 à XC90, couvrant les aciers doux, mi-durs et fortement carbonés.
La teneur en carbone conditionne directement la trempabilité, donc la dureté maximale obtenue après trempe. En dessous de 0,25 % C (XC10–XC25), l’acier reste peu trempant : la structure martensitique ne se développe que très superficiellement, ce qui oriente ces nuances vers la cémentation ou des applications nécessitant surtout de la ductilité. Entre 0,35 et 0,55 % C (XC35–XC55), la trempabilité devient intéressante pour les pièces de construction mécanique classiques : axes, arbres, pièces pivotantes. Au-delà de 0,65 % C (XC65–XC90), la trempe confère des duretés très élevées, idéales pour les aciers ressorts, lames et couteaux industriels.
L’augmentation de la teneur en carbone fait croître simultanément la limite élastique, la résistance à la traction et la dureté, mais réduit la ductilité et la résilience si le revenu n’est pas maîtrisé.
Influence des éléments résiduels (mn, si, P, S) sur la résistance mécanique et la ténacité
Les aciers XC sont dits « non alliés », mais contiennent toujours des éléments résiduels qui jouent un rôle mécanique majeur. Le manganèse (Mn), typiquement entre 0,50 et 0,90 %, améliore la trempabilité et la résistance à l’usure, tout en aidant à neutraliser le soufre. Le silicium (Si), souvent dans une plage de 0,10 à 0,40 %, renforce l’élasticité et la limite d’élasticité. Ces deux éléments contribuent à une résistance mécanique plus élevée sans alourdir significativement le coût matière.
À l’inverse, le phosphore (P) et le soufre (S) restent des éléments fragilisants. Les nuances XC se distinguent justement des « CC » par des teneurs plus maîtrisées en P et S, généralement ≤ 0,035 %. Une teneur trop élevée en P réduit la ténacité, particulièrement à basse température, tandis qu’un excès de S favorise les ruptures fragiles et les criques de fatigue. Pour vous, cela signifie que le contrôle qualité matière, notamment au niveau des certificats de coulée, ne doit jamais être négligé lorsque des cycles de fatigue ou des chocs répétés sont en jeu.
Correspondances normatives entre aciers XC, C35E, C45E, C60E et nuances DIN/EN 10083
Avec l’harmonisation européenne, les nuances XC possèdent des équivalents dans les normes EN et DIN. Un XC48, par exemple, se rapproche d’un C45E (EN ISO 683) en termes de composition chimique. De même, un XC38 correspond à un C35E, et un XC65 se rapproche d’un C60E. La lettre E dans ces désignations indique une teneur en soufre et phosphore particulièrement basse, adaptée aux traitements thermiques.
| Nuance NF (ancienne) | Équivalent EN / DIN | Teneur C typique (%) | Usage principal |
|---|---|---|---|
| XC35 | C35E / 1.1181 | 0,32 – 0,39 | Arbres, axes, pièces forgées |
| XC48 | C45E / 1.1191 | 0,45 – 0,50 | Pièces trempées-revenues, outillage |
| XC60 | C60E / 1.1221 | 0,57 – 0,65 | Ressorts, lames, pièces fortement sollicitées |
| XC75 | C75 / 1.1248 / AISI 1075 | 0,70 – 0,80 | Ressorts plats, coutellerie, lames fines |
Cette grille de correspondance facilite la lecture des appels de plans anciens et leur conversion vers des nuances normalisées EN 10083. En pratique, lorsque vous travaillez avec des fournisseurs internationaux, il reste indispensable de vérifier les tolérances exactes de composition (notamment S et P) plutôt que de se contenter du seul nom commercial.
Microstructures typiques : ferrite-perlite, bainite, martensite selon les traitements thermiques
À l’état brut de laminage normalisé, les aciers XC présentent une microstructure ferrito-perlitique. La proportion de perlite augmente avec la teneur en carbone : un XC10 est majoritairement ferritique, tandis qu’un XC60 est très perlitique. Cette structure offre un bon compromis entre ductilité, usinabilité et résistance modérée pour la construction mécanique générale.
Après trempe, la microstructure devient essentiellement martensitique. La martensite est très dure mais fragile, ce qui impose presque toujours un revenu pour restaurer de la ténacité. Pour certaines applications intermédiaires, l’obtention de bainite (via des cycles de trempe isotherme) permet d’associer une résistance élevée à une meilleure résistance à la fatigue. Vous pouvez voir ces microstructures comme trois états d’organisation interne du matériau : la ferrite-perlite comme un « ressort souple », la bainite comme un ressort renforcé, et la martensite comme un verre très dur qu’il faut ensuite « détendre » par revenu.
Propriétés mécaniques des aciers XC : limite élastique, résistance à la traction et dureté
Courbes contrainte-déformation des aciers XC35, XC48 et XC60 après laminage à chaud
Les courbes contrainte-déformation des aciers XC traduisent visuellement la façon dont le matériau se comporte sous traction. Un XC35 laminé à chaud présente typiquement une limite d’élasticité autour de 32 daN/mm² (≈ 320 MPa) et une résistance à la traction de 560 à 680 MPa, avec un allongement à rupture supérieur à 20 %. La zone plastique est significative, ce qui rend cette nuance intéressante pour les pièces nécessitant une certaine capacité de déformation avant rupture.
En XC48, la limite élastique se situe plutôt vers 38 daN/mm² (≈ 380 MPa) et la résistance à la traction entre 680 et 780 MPa, avec un allongement aux environs de 17 %. Le XC60, à l’état normalisé, atteint facilement 75 à 90 daN/mm² en résistance à la rupture (≈ 750–900 MPa), mais l’allongement chute vers 14 % ou moins. Pour vous, l’enjeu consiste donc à choisir la nuance en fonction de la forme de la courbe contrainte-déformation attendue : comportement plus ductile pour les XC faibles en carbone, plus raide et plus fragile pour les XC forts en carbone.
Évolution de la dureté brinell, rockwell et vickers en fonction de la teneur en carbone
La dureté des aciers XC évolue de manière quasi linéaire avec la teneur en carbone, à condition de comparer des états de traitement similaires. À l’état recuit, un XC10 se situe vers 120 HB, un XC35 autour de 160–180 HB, un XC48 vers 180–225 HB, et un XC60 dépasse fréquemment 220 HB. Après trempe et revenu adapté, les mêmes nuances peuvent atteindre des niveaux de dureté Rockwell C impressionnants :
- XC35 trempé-revenu : environ 30–40 HRC, adapté aux pièces de structure sollicitées.
- XC48 trempé-revenu : 45–55 HRC, très courant pour l’outillage et les pièces de transmission.
- XC75 trempé-revenu : 55–62 HRC, typique des aciers ressorts et couteaux industriels.
Les tables de conversion des duretés montrent, par exemple, que 300 HV correspond à environ 960 MPa de résistance à la traction, tandis que 500 HV s’approche de 1650 MPa. Pour vos cahiers des charges, exprimer les exigences en double (dureté + résistance à la traction estimée) permet souvent d’éviter des malentendus entre bureau d’études et atelier de traitement thermique.
Comportement à la fatigue et résistance à l’usure des aciers XC dans les pièces de transmission
Dans les pièces de transmission (arbres, pignons, axes), les aciers XC doivent encaisser des millions de cycles de chargement. La tenue en fatigue dépend fortement de la propreté inclusionnelle, de la microstructure (perlite fine vs martensite revenue) et de la dureté de surface. Un XC48 trempé et revenu autour de 40–45 HRC montre une excellente résistance à la fatigue de flexion, tout en restant suffisamment tenace pour supporter des surcharges ponctuelles.
La résistance à l’usure, quant à elle, augmente avec la dureté. Un XC75 à 58 HRC offrira une tenue très supérieure en friction sèche par rapport à un XC38 resté à l’état normalisé. Cependant, cette amélioration se paye par une diminution de la résilience. Pour un engrenage soumis à des contraintes combinées de contact et de flexion, vous avez donc intérêt à viser une dureté intermédiaire (autour de 45–50 HRC) plutôt qu’un maximum théorique qui fragiliserait la denture.
Tenue au choc (résilience charpy) des aciers XC traités et non traités
La résilience Charpy des aciers XC est très sensible au traitement thermique et à la température de service. À l’état normalisé, un XC35 peut afficher des valeurs de l’ordre de 30–40 J à 20 °C, tandis qu’un XC60 plafonne souvent sous les 20 J sans traitement spécifique. Après trempe puis revenu bas (150–200 °C), la dureté augmente mais la résilience chute, ce qui expose aux ruptures fragiles en service.
Un revenu correctement positionné, souvent entre 500 et 600 °C pour les nuances mi-dures, permet de restaurer une résilience suffisante tout en conservant une dureté fonctionnelle adaptée.
Pour des applications sujettes à des chocs (mors de mandrin, outillages de frappe), il est donc recommandé de spécifier explicitement la combinaison dureté / énergie Charpy recherchée, plutôt que la seule dureté. Cette approche évite de vous retrouver avec des pièces très dures mais incapables d’absorber un impact sans fissurer.
Traitements thermiques appliqués aux aciers XC : recuit, trempe, revenu et normalisation
Cyclage thermique type pour la trempe à l’eau des nuances XC38 et XC48
Pour les nuances XC38 et XC48, la trempe à l’eau ou à l’huile vise à transformer la structure ferrito-perlitique en martensite. Un cycle typique comprend :
- Montée en température à 840–870 °C pour le XC48 (légèrement plus haut que le XC38), avec un temps de maintien dépendant de l’épaisseur (généralement 20–30 min pour quelques dizaines de mm).
- Refroidissement rapide : trempe à l’eau pour maximiser la trempabilité ou à l’huile pour limiter les gradients thermiques et réduire le risque de criques de trempe.
- Transfert rapide vers le four de revenu pour éviter la fissuration retardée par hydrogène ou contraintes internes.
La vitesse de refroidissement, la propreté de l’eau ou du bain d’huile et le contrôle de la température de trempe conditionnent directement les caractéristiques finales. Une eau trop froide ou trop agitée augmente par exemple les contraintes thermiques et peut générer des criques internes invisibles au contrôle visuel.
Paramètres de revenu des aciers XC45 pour équilibrer dureté et ductilité
Pour un acier de type XC45 (équivalent C45E), le revenu constitue l’étape clé pour ajuster le compromis dureté/ductilité. Après une trempe classique, un premier revenu autour de 200 °C donnera une dureté voisine de 55 HRC mais avec une résilience très faible. En remontant la température de revenu vers 500–600 °C, la dureté chutera progressivement vers 30–40 HRC, tandis que la ténacité augmentera de manière significative.
Pour des arbres de transmission ou des pièces soumises à fatigue, un palier de revenu autour de 550 °C, maintenu 1 à 2 heures selon l’épaisseur, reste souvent un excellent choix. Une bonne pratique consiste à contrôler systématiquement la dureté après revenu sur éprouvette de référence, afin de vérifier que le four délivre bien le profil thermique attendu et d’éviter les dérives insidieuses de process.
Normalisation des aciers XC60 pour homogénéiser le grain avant usinage et formage
Les nuances fortement carbonées comme XC60 ou XC70 sont sensibles à la taille de grain austenitique. Une normalisation, typiquement à 850–880 °C suivie d’un refroidissement à l’air calme, permet d’homogénéiser la microstructure, de raffiner le grain et de réduire les tensions internes après laminage ou forge. Pour vous, l’intérêt est double : l’usinabilité s’améliore et la réponse aux traitements ultérieurs (trempe, revenu) devient plus régulière.
Un grain fin améliore aussi la résilience et la résistance à la fatigue. À l’inverse, une austenitisation trop poussée ou répétée sans contrôle peut grossir le grain, dégrader fortement le comportement au choc et rendre le matériau plus sensible à la fissuration. La normalisation doit donc être considérée comme une opération structurée, avec consignes de température et de temps, plutôt qu’un simple « coup de chauffe » rattrapant des défauts de forge.
Traitements thermochimiques (cémentation, carbonitruration) sur bases XC à bas carbone
Les aciers XC à faible teneur en carbone (XC10, XC18, XC20) peuvent servir de base à des traitements thermochimiques comme la cémentation ou la carbonitruration. L’objectif est alors d’obtenir une « peau » très dure et résistante à l’usure, tout en conservant un cœur tenace et ductile. En cémentation, la surface enrichie en carbone est portée au-dessus de la température de transformation, puis trempée pour former une martensite très dure, souvent au-delà de 60 HRC.
En carbonitruration, l’azote s’ajoute au carbone pour renforcer encore la dureté de surface et la résistance à la fatigue de contact. Ce type de traitement est particulièrement adapté aux pignons de petite taille, axes de précision et composants soumis à des sollicitations de roulement ou de glissement répétés. Pour exploiter au mieux ces procédés, il reste important de spécifier une nuance XC à bas carbone avec teneurs en P et S strictement limitées.
Défauts métallurgiques liés aux traitements thermiques : criques de trempe, décarburation de surface
Les principaux défauts rencontrés sur les aciers XC après traitements thermiques sont les criques de trempe et la décarburation de surface. Les criques apparaissent lorsque les gradients de température sont trop violents ou lorsque la pièce présente des concentrations de contraintes géométriques (angles vifs, variations brusques de section). Elles affectent directement la résistance en fatigue et peuvent conduire à des ruptures précoces. Un contrôle magnétoscopique ou par ressuage s’impose donc pour les pièces critiques.
La décarburation correspond à une perte de carbone en surface lors d’un chauffage prolongé en atmosphère oxydante. Sur un XC75, par exemple, quelques dixièmes de mm décarburés suffisent à abaisser la dureté superficielle de manière drastique, annihilant l’effet de la trempe. La prévention passe par l’utilisation d’atmosphères contrôlées, de fours sous vide ou de protections mécaniques (boîtes de remplissage, revêtements temporaires). Intégrer dès la conception une sur-épaisseur usinable permet aussi de supprimer ensuite la zone décarburée.
Usinabilité et mise en forme des aciers XC en fabrication mécanique
Les aciers XC présentent, dans l’ensemble, une usinabilité satisfaisante, surtout dans la zone des nuances mi-dures (XC35 à XC48). À l’état recuit ou normalisé, ils se travaillent au tournage et au fraisage avec des vitesses de coupe typiques de 100 à 170 m/min en carbure, des avances de 0,08 à 0,25 mm/dent, et une usure outil raisonnable. Plus la teneur en carbone et la dureté augmentent, plus l’usinage devient exigeant : un XC75 trempé à 60 HRC demande des outils céramique ou CBN et des vitesses adaptées.
Pour vous, trois paramètres-clés font la différence sur la productivité :
- La qualité de la matière brute (état de surface, décarburation, tensions internes).
- Le choix du bon état métallurgique (recuit, normalisé, pré-trempé) avant la mise en copeaux.
- La gestion de la lubrification et de l’évacuation des copeaux, indispensable pour éviter le collage et les arêtes rapportées.
En formage (pliage, emboutissage léger), les nuances à faible teneur en carbone comme le XC10 ou le XC20 se comportent bien avant trempe. En revanche, les aciers ressorts XC65 et XC75 à l’état trempé ne tolèrent que des pliages très faibles (15 à 25° selon l’épaisseur) avant rupture. Pour des géométries plus sévères, il devient plus sûr de former en état recuit-trempant, puis de réaliser trempe et revenu en fin de cycle, quitte à accepter quelques déformations à compenser par un ajustement d’outillage.
Applications industrielles des aciers XC : exemples concrets en automobile, outillage et construction mécanique
Utilisation des aciers XC38 et XC45 dans les arbres de transmission et engrenages automobiles
Dans le secteur automobile, les nuances XC38 et XC45 occupent une place centrale pour les arbres de transmission, les axes intermédiaires et certains engrenages soumis à des charges moyennes. Trempés et revenus entre 30 et 45 HRC, ces aciers offrent un excellent compromis entre résistance à la flexion, tenue en fatigue et coût matière. Ils supportent aussi bien les usinages de précision (rectification, brochage) que les traitements thermiques localisés (induction sur portées spécifiques).
Pour vous, l’intérêt de ces nuances est la robustesse de leur comportement : les propriétés mécaniques sont bien documentées, la disponibilité matière est excellente, et les retours d’expérience accumulés sur plusieurs décennies permettent de dimensionner les composants avec un haut niveau de confiance. Dans un contexte de mobilité électrique, ces mêmes aciers restent d’actualité pour les réducteurs mécaniques et les arbres d’entraînement secondaires.
Pièces d’outillage en acier XC60 et XC70 : lames, couteaux industriels et outils à main
Les nuances XC60, XC70 et XC75 sont traditionnellement associées aux lames et aux ressorts plats. En coutellerie industrielle, un acier XC75 (équivalent C75 / 1.1248 / AISI 1075) trempé à 60 HRC puis revenu légèrement offre une tenue de coupe remarquable, une bonne résistance à l’usure et une aptitude correcte au polissage. Dans l’outillage à main, les burins, ciseaux à bois, grattoirs et petits poinçons utilisent souvent ces nuances, précisément pour combiner tranchant durable et capacité à encaisser des chocs modérés.
Un point pratique important pour vous : la soudabilité de ces aciers est médiocre, surtout au-delà de 0,6 % de C. Les assemblages soudés sont à éviter ou doivent être accompagnés de préchauffages, postchauffages et traitements de détente pour éviter la fissuration. Le choix de la nuance XC se fait donc aussi en fonction des procédés d’assemblage prévus et des possibilités de reprise thermique après soudage.
Rôles des nuances XC20 à XC30 dans la boulonnerie, axes, goupilles et pièces de fixation
Les nuances XC20, XC25 et XC30 se situent dans une zone de carbone qui convient particulièrement bien à la boulonnerie générale, aux axes de guidage peu sollicités et aux goupilles de positionnement. À l’état normalisé ou faiblement trempé, elles offrent une résistance mécanique suffisante (Rr de l’ordre de 400–600 MPa) tout en conservant une ductilité appréciable pour résister aux chocs de montage et aux déformations accidentelles.
Pour les fixations de sécurité, la compatibilité avec des traitements thermochimiques (cémentation superficielle) permet d’augmenter localement la dureté de surface sans compromettre l’âme de la pièce. Pour vous, ces nuances représentent un excellent compromis lorsque les exigences de résistance ne justifient pas encore le recours à des aciers alliés plus coûteux, mais que la qualité XC (teneur en P et S plus serrée) reste nécessaire pour la fiabilité en service.
Usage des aciers XC dans la machine-outil : mors de mandrin, coulisses, glissières
Dans la machine-outil, les aciers XC interviennent dans de nombreuses pièces stratégiques : mors de mandrin, coulisses de guidage, glissières, butées, posages. Un XC48 ou XC60 trempé-revenu à 45–52 HRC pour des mors offre une excellente résistance à l’écrasement et à l’usure, tout en permettant des rectifications précises pour obtenir la géométrie finale. Pour les glissières, des duretés plus modérées assurent un compromis entre résistance à l’usure et capacité à absorber les vibrations sans fissuration.
Dans les ateliers modernes, les aciers XC restent des matériaux de référence pour les outillages « consommables » : suffisamment performants pour tenir en production, assez économiques pour être remplacés sans impacter lourdement le budget.
En combinant intelligemment la nuance, l’état métallurgique, l’usinage et les traitements thermiques, vous disposez d’une boîte à outils très large pour adapter les aciers XC à vos besoins industriels, qu’il s’agisse de prototypes unitaires, de petites séries techniques ou de productions de grande cadence.