Acier

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Acier
Coulée d'un four électrique
Cet article est lié aux
composés du fer et du carbone
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Acier
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Cette boĂźte : voir â€ą disc. â€ą mod.
Cñble d’acier (Treuil de mine).

L’acier est un alliage mĂ©tallique utilisĂ© dans les domaines de la construction mĂ©tallique (voir aussi l’article sur la thĂ©orie du soudage de l’acier) et de la construction mĂ©canique.

L’acier est constituĂ© d’au moins deux Ă©lĂ©ments, le fer, trĂšs majoritaire, et le carbone, dans des proportions comprises entre 0,02 % et 2 % en masse[1].

C’est essentiellement la teneur en carbone qui confĂšre Ă  l’alliage les propriĂ©tĂ©s du mĂ©tal qu’on appelle « acier Â». Il existe d’autres mĂ©taux Ă  base de fer qui ne sont pas des aciers comme les fontes et les ferronickels par exemple.

Sommaire

Constitution des aciers

Les aciers sont élaborés pour résister à des sollicitations mécaniques ou des agressions chimiques ou une combinaison des deux.

Pour rĂ©sister Ă  ces sollicitations et/ou agressions, des Ă©lĂ©ments chimiques peuvent ĂȘtre ajoutĂ©s en plus du carbone. Ces Ă©lĂ©ments sont appelĂ©s Ă©lĂ©ments d’additions, les principaux sont le manganĂšse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdĂšne (Mo).

Les Ă©lĂ©ments chimiques prĂ©sents dans l’acier peuvent ĂȘtre classĂ©s en 3 catĂ©gories :

  • Les impuretĂ©s, originellement prĂ©sentes dans les ingrĂ©dients de haut fourneau qui serviront Ă  produire la fonte qui servira Ă  fabriquer l’acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) prĂ©sent dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l’étain (Sn) qui peuvent ĂȘtre prĂ©sents dans les aciers de rĂ©cupĂ©ration ainsi que nombre d’autres Ă©lĂ©ments Ă  bas point de fusion comme l’arsenic (As), l’antimoine (Sb) ;
  • Les Ă©lĂ©ments d’addition mentionnĂ©s plus haut et qui sont ajoutĂ©s de maniĂšre intentionnelle pour confĂ©rer au matĂ©riau les propriĂ©tĂ©s recherchĂ©es, et enfin ;
  • Les Ă©lĂ©ments d’accompagnement que l’aciĂ©riste utilise en vue de maĂźtriser les diverses rĂ©actions physico-chimiques nĂ©cessaires pour obtenir en final un acier conforme Ă  la spĂ©cification. C’est le cas d’élĂ©ments comme l’aluminium, le silicium, le calcium.

Aperçu de la composition, des avantages et des inconvénients

La teneur en carbone a une influence considĂ©rable (et assez complexe) sur les propriĂ©tĂ©s de l’acier : en dessous de 0,008 %, l’alliage est plutĂŽt mallĂ©able et on parle de « fer Â» ; au-delĂ  de 2,1 %[2], on entre dans le domaine de l'eutectique fer/carbure de fer ou bien fer/graphite, ce qui modifie profondĂ©ment la tempĂ©rature de fusion et les propriĂ©tĂ©s mĂ©caniques de l'alliage, et l'on parle de fonte.

Entre ces deux valeurs, l’augmentation de la teneur en carbone a tendance Ă  amĂ©liorer la duretĂ© de l’alliage et Ă  diminuer son allongement Ă  la rupture ; on parle d’aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs Â» (classification traditionnelle).

Dans les manuels de mĂ©tallurgie un peu anciens, on peut trouver comme dĂ©finition de l'acier un alliage fer-carbone oĂč le carbone varie de 0,2 Ă  1,7 % ; la limite actuelle a Ă©tĂ© Ă©tablie Ă  partir du diagramme binaire fer/carbone. Toutefois, il y a des aciers avec des concentrations de carbone supĂ©rieures Ă  ces limites (acier lĂ©dĂ©buritiques), obtenus par frittage.

On modifie Ă©galement les propriĂ©tĂ©s des aciers en ajoutant d’autres Ă©lĂ©ments, principalement mĂ©talliques, et on parle d’aciers alliĂ©s. De plus, on peut encore amĂ©liorer grandement leurs caractĂ©ristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes ou la cĂ©mentation) prenant en surface ou Ă  cƓur de la matiĂšre ; on parle alors d’aciers traitĂ©s.

Outre ces diverses potentialitĂ©s, et comparativement aux autres alliages mĂ©talliques, l’intĂ©rĂȘt majeur des aciers rĂ©side d’une part dans le cumul de valeurs Ă©levĂ©es dans les propriĂ©tĂ©s mĂ©caniques fondamentales :

D’autre part, leur coĂ»t d’élaboration reste relativement modĂ©rĂ©, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5 % de l’écorce) et sa rĂ©duction assez simple (par addition de carbone Ă  haute tempĂ©rature). Enfin les aciers sont pratiquement entiĂšrement recyclables grĂące Ă  la filiĂšre ferraille.

On peut nĂ©anmoins leur reconnaĂźtre quelques inconvĂ©nients, notamment leur mauvaise rĂ©sistance Ă  la corrosion Ă  laquelle on peut toutefois remĂ©dier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation Ă  chaudetc.), soit par l’utilisation de nuances d’acier dites « inoxydables Â». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables, donc peu recommandĂ©s pour les piĂšces volumineuses de formes complexes (bĂątis de machines, par exemple). On leur prĂ©fĂšre alors des fontes. Enfin, lorsque leur grande masse volumique est pĂ©nalisante (dans le secteur aĂ©ronautique par exemple), on se tourne vers des matĂ©riaux plus lĂ©gers (alliages Ă  base d’aluminium, titane,compositesetc.), qui ont l’inconvĂ©nient d’ĂȘtre plus chers.

De ce fait, les aciers restent privilĂ©giĂ©s dans presque tous les domaines d’application technique : Ă©quipements publics (ponts et chaussĂ©es, signalisation), industrie chimique, pĂ©trochimique, pharmaceutique et nuclĂ©aire (Ă©quipements sous pression, Ă©quipements soumis Ă  l’action de la flamme, capacitĂ©s de stockage, rĂ©cipients divers), agro-alimentaire (conditionnement et stockage), bĂątiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industrie mĂ©canique et thermique (moteurs, turbines, compresseurs), automobile (carrosserie, Ă©quipements), ferroviaire, aĂ©ronautique et aĂ©rospatial, construction navale, mĂ©dical (instruments, appareils et prothĂšses), composants mĂ©caniques (visserie, ressorts, cĂąbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), mobilier, design et Ă©quipements Ă©lectromĂ©nagers, etc.

Histoire 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 composĂ©s de fer et d’acier, qui devaient ensuite ĂȘtre travaillĂ©s Ă  la main par les forgerons. La coulĂ©e de la fonte dans les hauts fourneaux et l'affinage Ă  l'air pour obtenir de l'acier a Ă©tĂ© dĂ©couvert par les chinois durant la pĂ©riode des Royaumes combattants (entre -453 et -221). En Europe et en Asie, durant l'AntiquitĂ©, on produisait Ă©galement de l'acier en laissant le fer dans des gaz de combustion (cĂ©mentation).

On considĂšre souvent RĂ©aumur comme le fondateur de la sidĂ©rurgie scientifique moderne. En effet, il rĂ©alisa de trĂšs nombreuses expĂ©riences afin d’amĂ©liorer la fabrication de l’acier et publia les rĂ©sultats de ses observations en 1712.

L’acier industriel est apparu, avec l’évolution de la mĂ©tallurgie, vers 1786. Cette annĂ©e-lĂ , trois savants français, Berthollet, Monge et Vandermonde[3], caractĂ©risĂšrent trois types de produits obtenus Ă  partir de la coulĂ©e des hauts-fourneaux : le fer, la fonte et l’acier. L’acier Ă©tait alors obtenu Ă  partir du fer, lui-mĂȘme produit par affinage de la fonte issue du haut-fourneau. L’acier Ă©tait plus dur que le fer et moins fragile que la fonte. La mĂ©thode Ă©tait identique Ă  la mĂ©thode chinoise, mais a bĂ©nĂ©ficiĂ© d'un dĂ©veloppement important en raison de la forte demande liĂ©e Ă  la rĂ©volution industrielle.

Au XIXe siĂšcle sont apparues des mĂ©thodes de fabrication avec conversion directe de la fonte, avec les convertisseurs Bessemer en 1856 (Henry Bessemer); le procĂ©dĂ© Thomas-Gilchrist de dĂ©phosphoration de la fonte en 1877 (Sidney Gilchrist Thomas et Percy Carlyle Gilchrist) et la mĂ©thode Siemens-Martin. Ces dĂ©couvertes, permettant la fabrication en masse d’un acier de « qualitĂ© Â» (pour l’époque), participent Ă  la RĂ©volution industrielle. Enfin, vers la seconde moitiĂ© du XIXe siĂšcle, Dmitry Chernov dĂ©couvre les transformations polymorphes de l’acier et Ă©tablit le diagramme binaire fer/carbone, faisant passer la mĂ©tallurgie de l’état d’artisanat Ă  celui de science.

Fabrication de l'acier

Article dĂ©taillĂ© : Fabrication de l’acier.

Composition et structure des aciers

Teneur en carbone

Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser les conditions d’existence des formes d’acier, en absence d’élĂ©ments gammagĂšnes et de trempe.
La température de transition α/γ varie avec la teneur en carbone

On distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage massique de carbone qu’ils contiennent :

  • les aciers hypoeutectoĂŻdes (de 0,0101 Ă  0,77 % de carbone) qui sont les plus mallĂ©ables ;
    • les aciers extra-doux ont une teneur infĂ©rieure Ă  0,022 % de carbone ; ils sont hors de la « zone d’influence Â» de l’eutectoĂŻde (perlite) et n’ont donc pas de perlite ; ils sont durcis par des prĂ©cipitĂ©s de cĂ©mentite en faible quantitĂ© ;
    • entre 0,022 et 0,77 % de carbone, la cĂ©mentite est prĂ©sente dans la perlite mais n’existe pas sous forme « seule Â» ;
  • l’acier eutectoĂŻde (0,77 % de carbone) appelĂ© perlite ;
  • les aciers hypereutectoĂŻdes (de 0,77 Ă  2,11 % de carbone) qui sont les plus durs et ne sont pas rĂ©putĂ©s soudables.

La limite de 2,11 % correspond Ă  la zone d’influence de l’eutectique (lĂ©dĂ©burite) ; il existe toutefois des aciers lĂ©dĂ©buritiques.

La structure cristalline des aciers Ă  l’équilibre thermodynamique dĂ©pend de leur concentration (essentiellement en carbone mais aussi d’autres Ă©lĂ©ments d’alliage), et de la tempĂ©rature. On peut aussi avoir des structures hors Ă©quilibre (par exemple dans le cas d’une trempe).

La structure du fer pur dĂ©pend de la tempĂ©rature :

  • jusqu’à 912 Â°C, le fer (fer α) a une structure cristalline cubique centrĂ©e appelĂ©e ferrite
  • entre 912 Â°C et 1 394 Â°C, le fer (fer Îł) a une structure cristalline cubique Ă  faces centrĂ©es appelĂ©e austĂ©nite
  • entre 1 394 Â°C et jusqu’à son point de fusion Ă  1 538 Â°C, le fer (fer ÎŽ) retrouve une structure cristalline cubique centrĂ©e appelĂ©e ferrite delta (cette ferrite joue un rĂŽle essentiel dans la mise en Ɠuvre et surtout le soudage des aciers duplex).

La structure du fer + carbone Ă©volue d’une façon plus complexe en fonction de la tempĂ©rature et de la teneur en carbone. Les rĂšgles diffĂšrent selon que l’on est hors de la « zone d’influence Â» de l’eutectoĂŻde (entre 0 % et 0,022 %), entre 0,022 % et 0,77 % (hypoeutectoĂŻde) ou entre 0,77 % et 2,11 % (hypereutectoĂŻde ; au-delĂ , il s’agit de fonte). Voir l’étude du diagramme fer-carbone.

D’une maniĂšre simplifiĂ©e, pour un carbone compris entre 0,022 % et 2,11 % :

  • jusqu’à 727 Â°C on trouve un mĂ©lange de ferrite et de cĂ©mentite ;
  • Ă  partir de 727 Â°C le fer α se transforme en fer Îł (changement de phase appelĂ© austĂ©nitisation) ; La tempĂ©rature de fin de transformation dĂ©pend de la teneur en carbone.

Les aciers non alliĂ©s (au carbone) peuvent contenir jusqu’à 2,11 % en masse de carbone. Certains aciers alliĂ©s peuvent contenir plus de carbone par l’ajout d’élĂ©ments dits « gammagĂšnes Â».

Les diffĂ©rentes phases de l’acier

AustĂ©nite ‱ Bainite ‱ CĂ©mentite ‱ Ferrite ‱ Martensite ‱ Perlite

ÉlĂ©ments d'alliage

Le carbone a une importance primordiale car c'est lui qui, associé au fer, confÚre à l'alliage le nom d'acier. Son influence sur les propriétés mécaniques de l'acier est prépondérante. Par exemple, en ce qui concerne l'amélioration de la propriété de dureté, l'addition de carbone est trente fois plus efficace que l'addition de manganÚse.

L’aluminium : excellent dĂ©soxydant. AssociĂ© Ă  l’oxygĂšne, rĂ©duit la croissance du grain en phase austĂ©nitique. Peut rendre l’acier inapte Ă  la galvanisation Ă  chaud.

Le chrome : c’est l’élĂ©ment d’addition qui confĂšre Ă  l’acier la propriĂ©tĂ© de rĂ©sistance mĂ©canique Ă  chaud et Ă  l’oxydation (aciers rĂ©fractaires). Il joue aussi un rĂŽle dĂ©terminant dans la rĂ©sistance Ă  la corrosion lorsqu’il est prĂ©sent Ă  une teneur de plus de 12 Ă  13 % (selon la teneur en carbone). AdditionnĂ© de 0,5% Ă  9% il augmente la trempabilitĂ© (famille des aciers au chrome). Il a un rĂŽle alphagĂšne.

Le cobalt : utilisĂ© dans de nombreux alliages magnĂ©tiques. Provoque une rĂ©sistance Ă  l’adoucissement lors du revenu.

Le manganĂšse : forme des sulfures qui amĂ©liorent l’usinabilitĂ©. Augmente modĂ©rĂ©ment la trempabilitĂ©.

Le molybdĂšne : augmente la tempĂ©rature de surchauffe, la rĂ©sistance Ă  haute tempĂ©rature et la rĂ©sistance au fluage. Augmente la trempabilitĂ©.

Le nickel : rend austĂ©nitiques (role gammagĂšne) les aciers Ă  forte teneur en chrome. Sert Ă  produire des aciers de trempabilitĂ© modĂ©rĂ©e ou Ă©levĂ©e (selon les autres Ă©lĂ©ments prĂ©sents), Ă  basse tempĂ©rature d’austĂ©nitisation et Ă  tĂ©nacitĂ© Ă©levĂ©e aprĂšs traitement de revenu. C’est l’élĂ©ment d’alliage par excellence pour l'Ă©laboration des aciers ductiles Ă  basses tempĂ©ratures (acier Ă  9% Ni pour la construction des rĂ©servoirs cryogĂ©niques, acier Ă  36%Ni dit INVAR pour la construction des cuves de mĂ©thaniers).

Le niobium : mĂȘme avantage que le titane mais beaucoup moins volatil. Dans le domaine du soudage il le remplace donc dans les mĂ©taux d’apport.

Le phosphore : augmente fortement la trempabilitĂ©. Augmente la rĂ©sistance Ă  la corrosion. Peut contribuer Ă  la fragilitĂ© de revenu.

Le silicium : favorise l’orientation cristalline requise pour la fabrication d’un acier magnĂ©tique, augmente la rĂ©sistivitĂ© Ă©lectrique. AmĂ©liore la rĂ©sistance Ă  l’oxydation de certains aciers rĂ©fractaires. UtilisĂ© comme Ă©lĂ©ment dĂ©soxydant.

Le titane : pouvoir carburigĂšne Ă©levĂ© (comme le niobium) et rĂ©duit donc la duretĂ© de la martensite. Élimine le carbone en solution Ă  haute tempĂ©rature et rĂ©duit le risque de corrosion intergranulaire (TiC se forme avant Cr23C6 Ă©vite donc l’appauvrissement en chrome au joint de grain).

Le tungstĂšne : amĂ©liore la duretĂ© Ă  haute tempĂ©rature des aciers trempĂ©s revenus. Fonctions sensiblement identiques Ă  celles du molybdĂšne.

Le vanadium : augmente la trempabilitĂ©. ÉlĂšve la tempĂ©rature de surchauffe. Provoque une rĂ©sistance Ă  l’adoucissement par revenu (effet de durcissement secondaire marquĂ©).

Structure des aciers

Structure cristalline des aciers pour un refroidissement lent : rĂ©partition de la ferrite (jaune) et de la cĂ©mentite (bleu)
Lors d'un refroidissement lent, le carbone est chassĂ© des mailles de ferrite et va former des carbures (gauche). Lors d'une trempe, le carbone reste piĂ©gĂ© dans la maille lors de la transformation Îł → α ; cela forme la martensite (droite)

Lors du refroidissement d’un lingot, l’acier se solidifie Ă  l’état austĂ©nitique. Au cours du refroidissement, Ă  727 Â°C, l’austĂ©nite se dĂ©compose, soit en ferrite + perlite, soit en perlite + cĂ©mentite. La vitesse de refroidissement ainsi que les Ă©lĂ©ments d’alliage ont une importance capitale sur la structure obtenue, et donc sur les propriĂ©tĂ©s de l’acier. En effet :

De maniĂšre gĂ©nĂ©rale :

  • un refroidissement rapide donne de petits grains, alors qu’un refroidissement lent donne de gros grains ;
  • la rĂ©organisation des atomes pour passer de la structure austĂ©nitique (cubique Ă  faces centrĂ©es) Ă  la structure ferritique (cubique centrĂ©e) se fait par des mouvements d’atomes de faible ampleur (quelques distances interatomiques) ;
  • la ferrite pouvant contenir moins de carbone dissout (voir Solution solide et Site interstitiel), le carbone doit migrer sur de plus grandes distances pour former de la cĂ©mentite ; la distance Ă  parcourir est moins grande dans le cas de la perlite (eutectoĂŻde), puisque la cĂ©mentite s’intercale entre des « tranches Â» de ferrite ;
  • la germination des nouveaux cristaux se fait de maniĂšre prĂ©fĂ©rentielle aux dĂ©fauts, et notamment aux joints de grain de l’austĂ©nite ; ainsi, la structure de solidification de l’austĂ©nite joue un rĂŽle important (voir Solidification).

Certains Ă©lĂ©ments chimiques peuvent « piĂ©ger Â» le carbone pour former des carbures (par exemple le titane ou l’aluminium). Ils empĂȘchent ainsi la formation de cĂ©mentite.

On peut modifier la structure de l’acier par des traitements thermomĂ©caniques :

  • dĂ©formations : Ă©crasement du lingot, laminage Ă  froid ou Ă  chaud, forgeage

  • traitements thermiques, qui permettent de « rejouer Â» le refroidissement :
    • trempe, Ă©ventuellement suivie d’un revenu : la rapiditĂ© de la transformation ne permet pas au carbone de diffuser et le « piĂšge Â» dans la maille cubique centrĂ©e, qui se dĂ©forme pour donner de la martensite ; les cristaux forment de petites aiguilles ;
    • une trempe plus lente, ou bien une trempe Ă©tagĂ©e, permet la formation de bainite ;
    • recuit, permettant la diffusion des Ă©lĂ©ments, la rĂ©organisation des atomes et l’élimination des dislocations.

La mĂ©tallurgie des poudres consiste Ă  compacter de la poudre d’acier et de la chauffer en dessous de la tempĂ©rature de fusion, mais suffisamment pour que les grains se « soudent Â» (frittage). Cela permet de maĂźtriser la structure de l’acier et son Ă©tat de surface (en particulier pas de retrait ni de retassure[Quoi ?]), mais introduit de la porositĂ©.

DiffĂ©rentes « familles Â» d'aciers

Il existe des aciers faiblement alliĂ©s, Ă  faible teneur en carbone, et au contraire des aciers contenant beaucoup d’élĂ©ments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 8 % de nickel et 18 % de chrome en masse).

Différentes classifications

Principes de désignation symbolique des aciers selon la norme EN 1007-1-2.
Article dĂ©taillĂ© : DĂ©signation normalisĂ©e des aciers.

Chaque pays a son mode de dĂ©signation des aciers. Le schĂ©ma ci-contre indique la dĂ©signation europĂ©enne selon la norme EN10027. Cette norme distingue quatre catĂ©gories :

  • les aciers non-alliĂ©s d’usage gĂ©nĂ©ral (construction) ;
  • les aciers non-alliĂ©s spĂ©ciaux, pour traitement thermique, mallĂ©ables, soudables, forgeables
 ;
  • les aciers faiblement alliĂ©s, pour trempe et revenu ; les Ă©lĂ©ments d’alliage favorisent la trempabilitĂ© et permettent d’avoir des structures martensitiques ou bainitiques, donc des aciers Ă  haute duretĂ©, Ă  haute limite Ă©lastique, pour les outils, les ressorts, les roulements

  • les aciers fortement alliĂ©s :
    • les aciers inoxydables,
    • les aciers rapides, pour les outils Ă  forte vitesse de coupe comme les forets.

Aciers non alliés

Aciers non alliĂ©s d’usage gĂ©nĂ©ral

Ils sont destinĂ©s Ă  la construction soudĂ©e, Ă  l’usinage, au pliage
 On distingue :

  • Le type S qui correspond Ă  un usage gĂ©nĂ©ral de base (construction de bĂątiment
)
  • Le type E qui est utilisĂ© dans la construction mĂ©canique

La dĂ©signation de ces aciers comprend la lettre du type d’acier suivi de la valeur de la limite Ă©lastique (Re) en mĂ©ga-pascal (MPa). S’il s’agit d’un acier moulĂ©, la dĂ©signation est prĂ©cĂ©dĂ©e de la lettre G. La dĂ©signation peut ĂȘtre complĂ©tĂ©e par des indications supplĂ©mentaires (puretĂ©, application dĂ©diĂ©e
)

Exemples :

  • S185 (anciennement A33), Re = 185 MPa
  • E295 (anciennement A50), Re = 295 MPa
  • GE295, acier moulĂ©, Re = 295 MPa
  • S355 J2 WP, Re = 355 MPa, Ă  grain fin et auto-patinable (c’est l’acier Corten A)

Aciers non alliés spéciaux (type C)

Leur composition est plus prĂ©cise et plus pure et correspond Ă  des usages dĂ©finis Ă  l’avance.

Leurs applications courantes sont les forets (perceuses), ressorts, arbres de transmission, matrices (moules)


Leur dĂ©signation comprend la lettre C suivie de la teneur en carbone multipliĂ©e par 100. S’il s’agit d’un acier moulĂ©, on prĂ©cĂšde la dĂ©signation de la lettre G. Exemples :

  • C45, acier non alliĂ© comportant un taux de 0,45 % de carbone ;
  • GC22, acier moulĂ© non alliĂ© comportant un taux de 0,22 % de carbone.

Aciers faiblement alliés

Aucun Ă©lĂ©ment d’addition ne dĂ©passant 5 % en masse, ils sont utilisĂ©s pour des applications nĂ©cessitant une haute rĂ©sistance.

Exemples de dĂ©signation normalisĂ©e :

  • 35NiCrMo16 : contient 0,35 % de carbone, 4 % de nickel, du chrome et molybdĂšne en plus faible teneur. Cet acier prĂ©sente une bonne tenue aux chocs ainsi qu’une haute rĂ©sistance mĂ©canique jusque 600 Â°C ;
  • 100Cr6 : 1 % de carbone et 1,5 % de Chrome. C’est l’acier typique utilisĂ© dans les roulements Ă  billes.

Aciers fortement alliés

Au moins un Ă©lĂ©ment d’addition dĂ©passe les 5 % en masse, destinĂ©s Ă  des usages bien spĂ©cifiques, on y trouve des aciers Ă  outils, rĂ©fractaires, maraging (trĂšs haute rĂ©sistance, utilisĂ©s dans l’aĂ©ronautique), Hadfields (trĂšs grande rĂ©sistance Ă  l’usure), Invar (faible coefficient de dilatation)

Un exemple de dĂ©signation normalisĂ©e : X2CrNi18-9 (c’est un acier inoxydable).

Les aciers rapides spéciaux (ARS, ou high speed steels, HSS) font partie de cette famille.

Aciers inoxydables

Ces aciers prĂ©sentent une grande rĂ©sistance Ă  la corrosion, Ă  l’oxydation Ă  chaud et au fluage (dĂ©formation irrĂ©versible). Ils sont essentiellement alliĂ©s au chrome, Ă©lĂ©ment qui confĂšre la propriĂ©tĂ© d’inoxydabilitĂ©, et au nickel, Ă©lĂ©ment qui confĂšre de bonnes propriĂ©tĂ©s mĂ©caniques. Les aciers inoxydables sont classĂ©s en quatre familles : ferritique, austĂ©nitique, martensitique et austĂ©no-ferritique. Les aciers inoxydables austĂ©nitiques sont les plus mallĂ©ables et conservent cette propriĂ©tĂ© Ă  trĂšs basse tempĂ©rature (-200 Â°C).

Leurs applications sont multiples : chimie, nuclĂ©aire, alimentaire, mais aussi coutellerie et Ă©quipements mĂ©nagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5 % de chrome et moins de 0,12 % de carbone.

Aciers multiphasés

Ces aciers sont conçus suivant les principe des composites : par des traitements thermiques et mĂ©caniques, on parvient Ă  enrichir localement la matiĂšre de certains Ă©lĂ©ments d’alliage. On obtient alors un mĂ©lange de phases dures et de phases ductiles, dont la combinaison permet l’obtention de meilleures caractĂ©ristiques mĂ©caniques. On citera, par exemple :

  • les aciers Dual Phase qui sont la dĂ©clinaison moderne de l’acier damassĂ©, mais oĂč la distinction entre phase dure (la martensite) et phase ductile (la ferrite), se fait plus finement, au niveau du grain ;
  • Les aciers duplex formĂ©s de ferrite et d’austĂ©nite dans des proportions sensiblement identiques ;
  • les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity), oĂč l'austĂ©nite se transforme partiellement en martensite aprĂšs une sollicitation mĂ©canique. On dĂ©bute donc avec un acier ductile, pour aboutir Ă  un acier de type Dual Phase.
  • les aciers damassĂ©s oĂč des couches blanches ductiles pauvres en carbone absorbent les chocs, et les noires, plus riches en carbone, garantissent un bon tranchant perso.orange.fr ;

Propriétés et caractéristiques des aciers

L’acier est un alliage essentiellement composĂ© de fer, sa densitĂ© varie donc autour de celle du fer (7,32 Ă  7,86), suivant sa composition chimique et ses traitements thermiques. La densitĂ© d’un acier inox austĂ©nitique est typiquement un peu supĂ©rieure Ă  8, en raison de la structure cristalline. Par exemple, la densitĂ© 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, indĂ©pendamment de leur composition. Les autres propriĂ©tĂ©s varient Ă©normĂ©ment en fonction de leur composition, du traitement thermo-mĂ©canique et des traitements de surface auxquels ils ont Ă©tĂ© soumis.

Le traitement thermo-mĂ©canique est l’association :

Le traitement de surface consiste Ă  modifier la composition chimique ou la structure d’une couche extĂ©rieur d’acier. Cela peut ĂȘtre :

Voir aussi l’article dĂ©taillĂ© traitements anti-usure.

Symbolique et expression

  • L’acier est le 7e niveau dans la progression de la sarbacane sportive ;
  • selon certaines sources, l’acier peut dĂ©signer le 11e anniversaire de mariage ;
  • le terme « acier Â» sert Ă  caractĂ©riser ce qui est solide, par exemple un moral d’acier ;
  • le « poumon d’acier Â» dĂ©signe un ancien modĂšle de respirateur artificiel (respirateur Ă  pression nĂ©gative).
  • Le gris acier[4] est une couleur[5] gris neutre reproduisant la couleur de l’alliage.
  • La couleur acier, en hĂ©raldique[6], dĂ©signe le gris.

Soudabilité des aciers

La soudabilitĂ© des aciers est inversement proportionnelle Ă  la teneur en carbone. Toutes les nuances d’acier n’ont pas la mĂȘme aptitude au soudage et affichent des degrĂ©s de soudabilitĂ© diffĂ©rents (voir l’article sur le soudage). Certains aciers sont d’ailleurs intrinsĂšquement non soudables. Pour qu’un acier soit soudable il est primordial que les aciĂ©ristes se prĂ©occupent de la soudabilitĂ© des aciers qu'ils produisent dĂšs l’élaboration dans le souci d’optimiser la mise en Ɠuvre ultĂ©rieure. À titre d’exemple, on signalera que le code ASME (American Society of Mechanical Engineer), dans son volume spĂ©cifique Ă  la construction d’équipements sous pression, exige que l’attestation de conformitĂ© d’un acier utilisĂ© ne serait-ce que comme piĂšce provisoire soudĂ©e Ă  titre temporaire sur un ouvrage soumis au dit code mentionne sans ambiguĂŻtĂ© la qualitĂ© d’« acier soudable Â».

Ce qui influence le coût de production de l'acier

Sept facteurs au moins dĂ©terminent le coĂ»t de production d’un acier :

  1. La composition de l’acier selon sa teneur en Ă©lĂ©ments nobles (chrome, nickel, manganĂšse, cobalt
) et le niveau de puretĂ© chimique (basse teneur en soufre, phosphore, Ă©lĂ©ments Ă  bas point de fusion comme le plomb, l’arsenic, l’étain, le zinc
),
  2. Les exigences particuliĂšres liĂ©es Ă  la rĂšglementation (Directives, dĂ©crets, loi
) et les spĂ©cifications techniques des donneurs d’ordres,
  3. Les choix d’option(s) proposĂ©e(s) par des normes ou des standards internationaux comme ; par exemple des aptitudes au pliage, Ă  l’emboutissage, Ă  l’usinage ; et qui ont un coĂ»t,
  4. Les exigences dimensionnelles (tolĂ©rance de planĂ©itĂ©, classe d’épaisseur
). On remarquera que chez les aciĂ©ristes, la densitĂ© de l’acier n’est pas une constante ! Par exemple, dans le cas de l’acier de construction, elle n’est pas Ă©gale Ă  7,85. Les aciĂ©ristes considĂšrent une densitĂ© de facturation diffĂ©rente de la densitĂ© physique tout simplement pour tenir compte du fait que le poids rĂ©el livrĂ© (pesĂ©) est toujours supĂ©rieur au poids thĂ©orique (calculĂ©) du produit commandĂ©,
  5. Les examens et essais effectuĂ©s sur Ă©chantillons prĂ©levĂ©s sur coulĂ©e ou directement sur produit ainsi que le mode de rĂ©ception du produit. Il existe 3 principaux modes de rĂ©ception classĂ©s ci-aprĂšs dans l’ordre de coĂ»t croissant :
    • par le vendeur (la rĂ©ception du produit est donc effectuĂ©e par la premiĂšre partie),
    • par l’acheteur (la rĂ©ception du produit est effectuĂ©e par la seconde partie), et
    • par une entitĂ© administrative extĂ©rieure (bureau de contrĂŽle, compagnie d’assurance, ministĂšre, association
) autre que le vendeur ou l’acheteur (la rĂ©ception du produit est effectuĂ©e par ce que l’on appelle une tierce partie).
  6. Les exigences internes (et donc supplĂ©mentaires) requises par les procĂ©dĂ©s de fabrication de l’utilisateur (planĂ©itĂ©, limitations de teneurs en Ă©lĂ©ments chimiques, marquage), et
  7. La loi de l’offre et de la demande qui conditionne bien sĂ»r le prix du marchĂ©.

L’impact des 6 premiĂšres exigences peut avoir une incidence de quelques dizaines d’euros la tonne Ă  plus de 50 % du prix de base (le prix de base Ă©tant le prix d'un acier standard conforme Ă  la norme et sans option), d’oĂč l’importance de consulter les aciĂ©ristes (qu’on appelle aussi « forges Â» ou « fonderies Â») sur les bases d’une spĂ©cification technique en accord avec les exigences contractuelles. Le 7e point quant Ă  lui n’a pas de limite rationnelle.

Notes et références

  1. ↑ Valeur supĂ©rieure de la teneur en carbone :

    «  Les alliages fer-carbone contenant plus de 2 % de carbone constituent les fontes.  Â»

    — Philibert et coll. , MĂ©tallurgie du minerai au matĂ©riau (Dunod, 2002), p. 660

    «  Les fontes sont des alliages de fer et de carbone en quantitĂ© supĂ©rieure Ă  2 %.  Â»

    — Hazard et coll. , MĂ©motech — Structures mĂ©talliques (Casteilla, 2000), p. 14

    Cependant, les valeurs retenues varient selon les auteurs, entre 1,67 et 2,11 %, selon que l'on se base sur les teneurs habituellement utilisĂ©es par les fabricants ou les valeurs des diagrammes obtenus en laboratoire
  2. ↑ Les sources diffĂšrent, nous avons donc retenu la valeur de 2,1% ; quoi qu'il en soit, cette valeur est thĂ©orique car on n'utilise dans la pratique aucun acier non alliĂ© avec une telle teneur en carbone. Pour le diagramme mĂ©tastable fer/carbure de fer :
    • (en) William F. Smith et Javad Hashemi, Foundations of Materials Science and Engineering, Boston, McGraw-Hill, 2006, 4e Ă©d. (ISBN 978-0-07-295358-9) (LCCN 2005043865), p. 363  : 2,08 % ;
    • J. Philibert, A. Vignes, Y. BrĂ©chet, P. Combrade, MĂ©tallurgie, du minerai au matĂ©riau, Paris, Dunod, 2002, 2e Ă©d. (ISBN 978-2-10-006313-0), p. 655  : 2,11 % ;
    • (en) E. Paul Degarmo, J. T. Black et Ronald A. Kohser, Materials and Processes in Manufacturing, Hoboken, Wiley, 2003, 9e Ă©d. (ISBN 978-0-471-65653-1), p. 75  : 2,11 % ;
    • Michael F. Ashby et David Rayner Hunkin Jones, An introduction to microstructures, processing and design, Butterworth-Heinemann, 1992  : 2,14%.
    Pour le diagramme stable fer/graphite, la valeur est de 2,03 % (Philibert et coll., op. cit.)
  3. ↑ Science&Vie N° 1106 de novembre 2009, p.130-131
  4. ↑ Gris acier (couleur).
  5. ↑ Liste de couleurs.
  6. ↑ Couleurs hĂ©raldiques.

Voir aussi

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Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

  • J. Barralis, G. Maeder, PrĂ©cis de mĂ©tallurgie, Paris, Afnor, Nathan, 1991, 4e Ă©d. (ISBN 978-2-09-194017-5) 
  • J. Philibert, A. Vignes, Y. BrĂ©chet, P. Combrade, MĂ©tallurgie, du minerai au matĂ©riau, Paris, Dunod, 2002, 2e Ă©d. (ISBN 978-2-10-006313-0), p. 8-10, 150-186, 617-623, 651, 654-661, 681-700, 744-752 
  • J.-L. Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Paris, Afnor, Nathan, 2001 (ISBN 978-2-09-178761-9 et 2-12-494112-7) (OCLC 47854031), p. 161-166 


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Contenu soumis à la licence CC-BY-SA. Source : Article Acier de Wikipédia en français (auteurs)

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