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« Technologie/Matériaux/Généralités/Aciers de construction » : différence entre les versions

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Les aciers sont, à la base, des alliages de fer et de carbone. 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 et de carbone qui ne sont pas des aciers, les fontes par exemple.
 
On obtient l'acier en affinant une fonte obtenue par fusion, dans un haut fourneau, d'un mélange à base de minerai de fer, d'aciers de récupération, de fondant et de charbon (coke).
 
Une fois affiné, des éléments chimiques peuvent être ajoutés intentionnellement dans le but de fabriquer des aciers conformes à des cahiers des charges bien précis. Ces éléments d'addition peuvent être ajoutés, selon le cas, dans des proportions très importantes. A peu d'exceptions près <ref>Certains alliages au chrome ou au nickel contiennent 50 à 75% de fer mais ne font pas parti des aciers c'est le cas, par exemple, des incoloys 904 et MA956.</ref>, l'alliage résultant conservera le nom d'acier lorsque la quantité de fer sera au moins égale à cinquante pour cent.
 
== Familles d'aciers ==
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Il existe une grande variété d'aciers. Nous ne nous intéresserons dans ce qui suit qu'aux aciers de construction dits soudables, c'est-à-dire ceux qui constituent les canalisations (pipeline), les tuyauteries (piping) et leurs accessoires (fittings), les équipements sous pression (appareils à pression, corps de vannes, clapets, soupapes, etc.) et les réservoirs de stockage mais aussi les aciers dédiés à la construction métallique (ouvrages métalliques, ponts, charpentes, racks, garde-corps...).
 
; Les deux grandes familles d'aciers :
 
On peut classer les aciers en deux grandes familles, selon qu'ils sont élaborés pour résister à :
 
* des sollicitations mécaniques (les propriétés mécaniques sont essentielles), ou
* des agressions chimiques (les propriétés de résistance à la corrosion sont essentielles).
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Pour résister à ces sollicitations et/ou agressions, des éléments chimiques peuvent être ajoutés en plus du carbone. Ces éléments sont appelés éléments d'addition, les principaux sont le manganèse (Mn), le molybdène (Mo), le chrome (Cr) et le nickel (Ni).
 
== Notes et références ==
== Les propriétés mécaniques des aciers ==
 
Les propriétés mécaniques courantes des aciers sont :
 
* La résistance à la traction ''(encore appelée résistance à la rupture)'' et la limite d'élasticité. Symbole respectifs '''Rr''' et '''Re'''. L'unité est le MPa, [[w:Pascal_(unit%C3%A9)|mégapascal]].
 
* L'allongement s'exprime en pourcentage. Symbole '''A%'''.
 
* La dureté qui s'exprime par un nombre sans dimension associé à la méthode de mesure. Le symbole est '''H'''. Les principales sont Brinell (HB), Vickers (HV), Rockwell (HRc) et Shore (H Shore)
 
* La ténacité qui exprime la propriété de résistance au choc par mesure de l'énergie absorbée sur une éprouvette entaillée. Le symbole de la résilience est '''K'''. Selon que l'entaille est en "Vé" ou en "U", le symbole respectif est KV ou KU. L'unité est le Joule. Lorsque l'énergie est rapportée à la section de l'éprouvette on parle de KCV ou KCU, l'unité est alors le <math>J / cm^2</math>
 
=== Les éléments chimiques présents dans l'acier peuvent être classés en 3 catégories ===
 
====Les impuretés====
 
Les impuretés sont originellement présentes dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l'acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) présents dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l'étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi qu'un tas d'autres éléments à bas point de fusion comme l'arsenic (As), l'antimoine (Sb),
====Les éléments d'addition====
 
Mentionnés plus haut, ils sont volontairement ajoutés pour conférer à l'acier les propriétés recherchées.
 
====Les éléments d'accompagnement====
 
L'aciériste les utilise en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir en final un acier conforme à la spécification. C'est le cas d'éléments comme l'aluminium, le silicium, le calcium.
 
L'élément qui joue un rôle prépondérant dans les propriétés mécaniques d'un acier est le carbone (le carbone est 30 fois plus efficace que le manganèse qui vient en deuxième position après le carbone).
 
== Soudabilité ==
 
La soudabilité d'un acier (aptitude à se souder facilement) est inversement proportionnelle à sa teneur en carbone, autrement dit, plus la teneur en carbone est élevée et plus l'acier est difficile à souder et nécessite des précautions spécifiques (refroidissement lent sous calorifuge, préchauffage, postchauffage...). C'est ce qui explique, en partie, l'apparition des aciers faiblement alliés dont une partie du carbone est remplacée par des éléments comme le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène (Mo).
 
Les aciers faiblement alliés ont des propriétés mécaniques remarquables obtenues par :
 
* des traitements et cycles thermiques appropriés comme la normalisation ou la trempe suivis d'un revenu, ou
* pour certaines catégories bien particulières d'aciers, un traitement thermomécanique approprié (conjonction des effets de la température et de la déformation plastique pendant le laminage de l'acier).
Les aciers faiblement alliés ne présentent pas les difficultés de soudage liées à la présence du carbone mais doivent faire l'objet de précautions particulières pendant le soudage afin que les propriétés mécaniques ainsi obtenues soient maintenues après soudage (soudabilité métallurgique). En règle générale, les précautions pour le soudage sont déterminées dans un mode opératoire de soudage. Dans certains cas, le ou les modes opératoires de soudage doivent être validés par une qualification.
{{T|voir l'article sur le [[Soudage|soudage]]}}
 
== Rôles des éléments chimiques ==
 
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 % (aciers inoxydables). 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.
 
Le '''niobium''' : Même avantage que le titane mais beaucoup moins volatile, 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. Elimine le carbone en solution à haute température et réduit le risque de corrosion intergranulaire (TiC se forme avant <math>Cr_23C_6</math> 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. Elève la température de surchauffe. Provoque une résistance à l'adoucissement par revenu (effet de durcissement secondaire marqué).
 
== Les aptitudes des aciers ==
 
En plus des propriétés, il est souvent nécessaire que les techniciens définissent des aptitudes comme par exemple l'aptitude au formage, au pliage, à l'emboutissage, au soudage ou à la galvanisation... etc, selon la destinée de l'acier.
 
Les propriétés et les aptitudes des aciers sont définies par les services techniques (technologie, procédé, calcul, métallurgie / soudage, traitements de surface... etc).
 
L'assurance de conformité aux exigences prescrites et la préservation des propriétés tout au long des processus de construction valident les hypothèses de l'ingénierie.
 
Un défaut d'aptitude peut aboutir à une mauvaise conception et avoir des conséquences désastreuses sur la tenue en service (ruine de l'équipement par déformation jusqu'à rupture, rupture brutale, arrachement, percement de paroi par corrosion...).
 
== Ce qui influence le prix de l'acier ==
 
Sept facteurs au moins déterminent le prix d'un acier :
# La composition de l'acier selon sa teneur en éléments nobles (chrome, nickel, manganèse, cobalt, …) et le niveau de pureté chimique (basse teneur en souffre, phosphore, éléments à bas point de fusion comme le plomb, l'arsenic, l'étain, le zinc, …),
# Les exigences particulières liées à la règlementation (directives, décrets, loi, …) et les spécifications techniques des grands donneurs d'ordres,
# Les choix d'option(s) proposée(s) par des normes ou des standards internationaux comme ; par exemple des aptitudes au pliage, à l'emboutissage, à l'usinage ; et qui sont bien sûr payantes,
# Les exigences dimensionnelles (tolérance de planéité, classe d'épaisseur, …). Attention, chez les aciéristes la densité de l'acier n'est pas une constante ! Par exemple, dans le cas de l'acier de construction, elle n'est pas égale à 7,85. Les aciéristes considèrent une densité de facturation différente de la densité physique tout simplement pour tenir compte du fait que le poids réel livré (pesé) est toujours supérieur au poids théorique (calculé) du produit commandé,
# Les examens et essais effectués sur échantillons prélevés sur coulée ou directement sur produit ainsi que le mode de réception du produit. Il existe trois principaux modes de réception classés ci-après dans l'ordre de coût croissant :
#* par le vendeur, la réception du produit est effectuée par une première partie),
#* par l'acheteur, la réception du produit est effectuée par une seconde partie, et
#* par une entité extérieure imposée par une autorité autre que le vendeur ou l'acheteur, la réception du produit est effectuée par une tierce partie.
# Les exigences internes requises par les procédés de fabrication de l'utilisateur (planéité, limitations de teneurs en éléments chimiques, marquage), et
# La loi de l'offre et de la demande qui conditionne bien sûr le prix du marché.
 
L'impact des 6 premières exigences peut avoir une incidence de quelques dizaines d'euros la tonne à plus de 50% du 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 du contrat. Le 7e point quant à lui peut être soumis aux effets de la spéculation.
 
== Notes et références ==
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