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L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l'article sur le soudage) et de la construction mécanique. L'acier est constitué d'au moins deux éléments, majoritairement le fer puis le carbone dans des proportions comprises entre 0,02 % et 1,67 % en masse. C'est essentiellement la teneur en carbone qui confère à l'alliage les propriétés du métal qu'on appelle « acier ». Il existe d'autres métaux à base de fer qui ne sont pas des aciers comme les fontes et les ferronickels par exemple. Propriétés des aciersLes aciers sont élaborés pour résister à des sollicitations mécaniques ou des agressions chimiques ou une combinaison des deux. Pour résister à ces sollicitations et/ou agressions, des éléments chimiques peuvent être ajoutés en plus du carbone. Ces éléments sont appelés éléments d'additions, les principaux sont le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène (Mo). Les éléments chimiques présents dans l'acier peuvent être classés en 3 catégories :
Aperçu de la composition, des avantages et des inconvénientsLa teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l’acier : en dessous de 0,008 %, l’alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2,11 %, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte. Entre ces deux valeurs, l’augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique et la dureté de l’alliage ; on parle d’aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » (classification traditionnelle). On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d’autres éléments, principalement métalliques, et on parle d’aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d’aciers traités. Outre ces diverses potentialités, et comparativement aux autres alliages métalliques, l’intérêt majeur des aciers réside d’une part dans le cumul de valeurs élevées dans les propriétés mécaniques fondamentales :
D’autre part, leur coût d’élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5 % de l’écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclables grâce à la filière ferraille. On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion à laquelle on peut toutefois remédier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l’utilisation de nuances d'acier dites « inoxydables ». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables, donc peu recommandés pour les pièces volumineuses de formes complexes (bâtis de machines, par exemple). On leur préfère alors des fontes. Enfin, lorsque leur grande masse volumique est pénalisante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d’aluminium, titane,composites, etc.), qui ont l'inconvénient d'être plus chers. De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d’application technique : équipements publics (ponts et chaussées, signalisation), industrie chimique, pharmaceutique et nucléaire (équipements sous pression, équipements soumis l'action de la flamme, récipients divers), agro-alimentaire (conditionnement et stockage), bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industrie mécanique et thermique (moteurs, turbines, compresseurs), automobile (carrosserie, équipements), ferroviaire, aéronautique et aérospatial), médical (instruments, appareils et prothèses), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), mobilier, design et équipements électroménagers, etc. Histoire de l'acierArticle détaillé : Histoire de la production de l’acier.
Fabrication d’acier au Moyen Âge dans un bas-fourneau.
Depuis l’Âge du fer, on utilisait les bas fourneaux pour produire des massiots composés de fer et d’acier, qui devaient ensuite être travaillés à la main par les forgerons. On considère souvent Réaumur comme le fondateur de la sidérurgie scientifique moderne. En effet, il réalisa de très nombreuses expériences afin d’améliorer la fabrication de l’acier et publia les résultats de ses observations en 1712. L’acier est apparu, avec l’évolution de la métallurgie, vers 1786. Cette année-là, trois savants français, Berthollet, Monge et Vandermonde2, caractérisèrent trois types de produits obtenus à partir de la coulée des hauts-fourneaux : le fer, la fonte et l’acier. L’acier était alors obtenu à partir du fer, lui-même produit par affinage de la fonte issue du haut-fourneau. L’acier était plus dur que le fer et moins fragile que la fonte. Au XIXe siècle sont apparues des méthodes de fabrication avec conversion directe de la fonte, avec les convertisseurs Bessemer en 1856 (Henry Bessemer); le procédé Thomas-Gilchrist de déphosphoration de la fonte en 1877 (Sidney Gilchrist Thomas et Percy Carlyle Gilchrist) et la méthode Siemens-Martin. Ces découvertes, permettant la fabrication en masse d’un acier de « qualité » (pour l’époque), participent à la Révolution industrielle. Enfin, vers la seconde moitié du XIXe siècle, Dmitry Chernov découvre les transformations polymorphes de l’acier et établit le diagramme binaire fer/carbone, faisant passer la métallurgie de l’état d’artisanat à celui de science. Fabrication de l'acierArticle détaillé : Fabrication de l’acier.
Composition et structure des aciersTeneur en carboneOn distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage massique de carbone qu’ils contiennent :
La limite de 2,11 % correspond à la zone d'influence de l'eutectique (lédéburite) ; il existe toutefois des aciers lédéburitiques. La structure cristalline des aciers à l’équilibre thermodynamique dépend de leur concentration (essentiellement en carbone mais aussi d’autres éléments d’alliage), et de la température. On peut aussi avoir des structures hors équilibre (par exemple dans le cas d’une trempe). La structure du fer pur dépend de la température :
La structure du fer + carbone évolue d'une façon plus complexe en fonction de la température et de la teneur en carbone. Les règles diffèrent selon que l'on est hors de la « zone d'influence » de l'eutectoïde (entre 0 % et 0,022 %, entre 0,022 % et 0,77 % (perlite) ou entre 0,77 % et 2,11 % (au-delà, il s'agit de fonte). Voir l'étude du diagramme fer-carbone. D'une manière simplifiée, pour un carbone compris entre 0,022 % et 2,11 % :
Les aciers non alliés (au carbone) peuvent contenir jusqu’à 2,11 % en masse de carbone. Certains aciers alliés peuvent contenir plus de carbone par l’ajout d’éléments dits « gammagènes ».
Éléments d'alliageLe carbone a une importance primordiale, d'une part parce qu'il est toujours présent dans l'acier, d'autre part pace que des quantités relativement importantes d'autres éléments peuvent être ajoutées sans modifier profondément la nature des structures formées ou le comportement général des aciers dits au carbone. L'aluminium : excellent désoxydant. Associé à l'oxygène, réduit la croissance du grain en phase austénitique. Peut rendre l'acier inapte à la galvanisation à chaud. Le chrome : c'est l'élément d'addition qui confère à l'acier la propriété de résistance mécanique à chaud et à l'oxydation (aciers réfractaires). Il joue aussi un rôle déterminant dans la résistance à la corrosion lorsqu'il est présent à une teneur de plus de 12 à 13 % (selon la teneur en carbone). Il augmente la trempabilité. Le cobalt : utilisé dans de nombreux alliages magnétiques. Provoque une résistance à l'adoucissement lors du revenu. Le manganèse : forme des sulfures qui améliorent l'usinabilité. Augmente modérément la trempabilité. Le molybdène : augmente la température de surchauffe, la résistance à haute température et la résistance au fluage. Augmente la trempabilité. Le nickel : rend austénitiques les acier à forte teneur en chrome. Sert à produire des aciers de trempabilité modérée ou élevée (selon les autres éléments présents), à basse température d'austénitisation et à ténacité élevée après traitement de revenu. C'est l'élément d'alliage par excellence (jusqu'à une teneur de 9%) des aciers pour application cryogéniques. Le niobium : même avantage que le titane mais beaucoup moins volatile. Dans le domaine du soudage il le remplace donc dans les métaux d'apport. Le phosphore : augmente fortement la trempabilité. Augmente la résistance à la corrosion. Peut contribuer à la fragilité de revenu. Le silicium : favorise l'orientation cristaline requise pour la fabrication d'un acier magnétique, augmente la résistivité électrique. Améliore la résistance à l'oxydation de certains aciers réfractaires. Utilisé comme élément désoxydant. Le titane : pouvoir carburigène élevé (comme le niobium) et réduit donc la dureté de la martensite. Élimine le carbone en solution à haute température et réduit le risque de corrosion intergranulaire (TiC se forme avant Cr23C6 évite donc l'appauvrissement en chrome au joint de grain). Le tungstène : améliore la dureté à haute température des aciers trempés revenus. Fonctions sensiblement identiques à celles du molybdène. Le vanadium : augmente la trempabilité. Élève la température de surchauffe. Provoque une résistance à l'adoucissement par revenu (effet de durcissement secondaire marqué). Structure des aciersLors du refroidissement d'un lingot, l'acier se solidifie à l'état d'austénitique. Au cours du refroidissement, à 727 °C, l'austénite se décompose, soit en ferrite + perlite, soit en perlite + cémentite. La vitesse de refroidissement ainsi que les éléments d'alliage ont une importance capitale sur la structure obtenue, et donc sur les propriétés de l'acier. En effet :
De manière générale :
Certains éléments chimiques peuvent « piéger » le carbone pour former des carbures (par exemple le titane ou l'aluminium). Ils empêchent ainsi la formation de cémentite. On peut modifier la structure de l'acier par des traitements thermomécaniques :
La métallurgie des poudres consiste à compacter de la poudre d'acier et de la chauffer en dessous de la température de fusion, mais suffisamment pour que les grains se « soudent » (frittage). Cela permet de maîtriser la structure de l'acier et son état de surface (en particulier pas de retrait ni de retassure), mais introduit de la porosité. Différentes « familles » d'aciersIl existe des aciers faiblement alliés, à faible teneur en carbone, et au contraire des aciers contenant beaucoup d’éléments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 8 % de nickel et 18 % de chrome en masse). Différentes classificationsChaque pays a son mode de désignation des aciers. Le schéma ci-contre indique la désignation européenne selon la norme EN10027. Cette norme distingue quatre catégories :
Article détaillé : b:Matériaux/Désignation normalisée des aciers.
Aciers non alliésAciers non alliés d’usage généralIls sont destinés à la construction soudée, à l'usinage, au pliage, ... On distingue:
La désignation de ces aciers comprend la lettre du type d’acier suivi de la valeur de la limite élastique (Re) en méga-pascal (MPa). S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G. La désignation peut être complétée par des indications supplémentaires (pureté, application dédiée, ...) Exemples :
Aciers non alliés spéciaux (type C)Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à des usages définis à l’avance. Leurs applications courantes sont les forets (perceuses), ressorts, arbres de transmission, matrices (moules), … Leur désignation comprend la lettre C suivie de la teneur en carbone multipliée par 100. S’il s’agit d’un acier moulé, on précède la désignation de la lettre G Exemples :
Aciers faiblement alliésAucun élément d’addition ne dépassant 5 % en masse, ils sont utilisés pour des applications nécessitant une haute résistance. Exemples de désignation normalisée :
Aciers fortement alliésAu moins un élément d’addition dépasse les 5 % en masse, destinés à des usages bien spécifiques, on y trouve des aciers à outils, réfractaires, maraging (très haute résistance, utilisés dans l’aéronautique), Hadfields (très grande résistance à l’usure), Invar (faible coefficient de dilatation) Un exemple de désignation normalisée : X2CrNi18-9 (c’est un acier inoxydable). Les aciers rapides (high speed steels, HSS) font partie de cette famille. Aciers inoxydablesCes aciers présentent une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). Ils sont essentiellement alliés au chrome, élément qui confère la propriété d'inoxydabilité, et au nickel, élément qui confère de bonnes propriétés mécaniques. Les aciers inoxydables sont classés en quatre familles : ferritique, austénitique, martensitique et austéno-ferritique. Les aciers inoxydables austénitiques sont les plus malléables et conservent cette propriété à très basse température (-200 °C). Leurs applications sont multiples : chimie, nucléaire, alimentaire, mais aussi coutellerie et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone. Aciers multiphasésCes aciers sont conçus suivant les principe des composites : par des traitements thermiques et mécaniques, on parvient à enrichir localement la matière de certains éléments d’alliage. On obtient alors un mélange de phases dures et de phases ductiles, dont la combinaison permet l’obtention de meilleures caractéristiques mécaniques. On citera, par exemple :
Propriétés et caractéristiques des aciersL’acier est un alliage de fer, sa densité varie donc autour de celle du fer (7,32 à 7,86), suivant sa composition chimique et ses traitements thermiques. La densité d’un acier inox est typiquement un peu supérieure à 8. Par exemple, la densité d’un acier inoxydable de type AISI 304 (X2CrNi18-10) est environ 8,02. Ils ont un module de Young d’environ 210 000 MPa, indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermo-mécanique et des traitements de surface auxquels ils ont été soumis. Le traitement thermo-mécanique est l’association :
Le traitement de surface consiste à modifier la composition chimique ou la structure d’une couche extérieur d’acier. Cela peut être :
Voir aussi l’article détaillé traitements anti-usure. Symbolique et expression
Soudabilité des aciersLa soudabilité des aciers est inversement proportionnelle à la teneur en carbone. Toutes les nuances d'acier n’ont pas la même aptitude au soudage et affichent des degrés de soudabilité différents (voir l'article sur le soudage). Certains aciers sont d’ailleurs intrinsèquement non soudables. Pour qu'un acier soit soudable il est primordial que les aciéristes s'en préoccupent dès la phase d’élaboration, autrement dit de la soudabilité des aciers et ceci dans un souci d’optimisation de la mise en œuvre ultérieure des aciers. A titre d'exemple, on signalera que le code ASME (American Society of Mechanical Engineer), dans son volume spécifique à la construction d'équipements sous pression, exige que l'attestation de conformité d'un acier utilisé ne serait-ce que comme pièce provisoire soudée à titre temporaire sur un ouvrage soumis au dit code mentionne sans ambiguïté la qualité d'« acier soudable ». Ce qui influence le coût de production de l'acierSept facteurs au moins déterminent le coût de production d'un acier :
L'impact des 6 premières exigences peut avoir une incidence de quelques dizaines d'euros la tonne à plus de 50 % du prix de base (acier standard conforme à la norme sans option), d'où l'importance de consulter les aciéristes (qu'on appelle aussi « forges ») sur les bases d'une spécification technique en accord avec les exigences contractuelles. Le 7e point quant à lui n'a pas de limite rationnelle. Notes et références
Voir aussiBibliographie
Articles connexes
Liens externes
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