Technologie/Matériaux/Généralités/Aciers en général

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.

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1. Aciers en général
   1. Désignation normalisée des aciers
2. Aciers de construction
3. Aciers inoxydables
4. Caractéristiques physiques des aciers

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. À peu d'exceptions près , l'alliage résultant conservera le nom d'acier lorsque la quantité de fer sera au moins égale à cinquante pour cent.

Les propriétés mécaniques des aciers

Les propriétés mécaniques courantes des aciers sont :

La résistance à la traction

encore appelée résistance à la rupture R_r ou R_m, l'unité est le MPa, mégapascal.

La limite d'élasticité

symbole R_e, également en MPa.

L'allongement à la rupture

qui 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 (hardness), les principales sont Brinell (HB), Vickers (HV), Rockwell (HRc) et Shore (H Shore).

La résilience

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 « V » ou en « U », le symbole respectif est KV ou KU. L'unité est le joule (J) ; lorsque l'énergie est rapportée à la section de l'éprouvette, on parle de KCV ou KCU, l'unité est alors le J/cm².

Le diagramme fer-carbone

Diagramme fer-carbone restreint aux aciers

Le diagramme fer-carbone représente le type d'acier selon la teneur en carbone et la température. Il ne prend pas en compte les impuretés et éléments d'alliage, qui ont une influence importante, mais permet déjà de saisir les principales propriétés des aciers.

On remarque qu'à basse température, l'acier est dans un état appelé « ferrite » et noté α (alpha), et associé à du carbure de fer Fe₃C appelé « cémentite ». Selon la manière dont ces deux phases cohabitent, on parle de « ferrite + cémentite » ou de « perlite + cémentite ».

Plus on a de carbone, plus l'acier est dur. On a donc initialement classé l'acier en catégories :

• aciers extra doux : %C < 0,15 % ;
• aciers doux : 0,15 % < %C < 0,2 % ;
• aciers demi-doux : 0,2 % < %C < 0,3 % ;
• aciers demi-durs : 0,3 % < %C < 0,4 % ;
• aciers durs : 0,4 % < %C < 0,6 % ;
• aciers extra durs : 0,6 % < %C.

Ce classement a été quasiment abandonné de nos jours.

À haute température, l'acier est dans un état appelé « austénite » et noté γ (gamma). Dans cet état, l'acier est plus « mou », plus facilement formable, c'est donc dans cet état que l'on étire et que l'on écrase l'acier (laminage, tréfilage, estampage). Avec des éléments d'alliage et un traitement thermique approprié, on peut avoir un acier austénitique à température ambiante, ce qui permet du formage à froid.

Par ailleurs, l'austénite peut « piéger » plus de carbone que la ferrite. Si le refroidissement est lent, le carbone est chassé lors de la transformation austénite → ferrite (α → γ) et vient former des carbures. Si le refroidissement est très rapide (trempe) et que la teneur en carbone est suffisante (supérieure à 0,3 % en masse), alors le carbone reste piégé lors de la transformation, on a de la ferrite sursaturée en carbone sous forme d'aiguille que l'on appelle « martensite ». La martensite est très dure.

Jusqu'au XIX^e siècle, on a appelé « fer » les aciers qui ne « prennent pas la trempe » (qui ne durcissent pas lorsqu'on les chauffe au rouge et qu'on les trempe dans l'eau, donc à moins de 0,3 % de carbone) et « acier » les aciers qui prennent la trempe. Cette acception du mot « fer » est restée dans quelques termes comme « fer forgé », ou « fer » pour désigner une poutrelle (fer C, fer U, fer I, fer H selon le profil).

Les éléments d'alliage viennent considérablement modifier tout ceci, en particulier :

• certains éléments facilitent la trempabilité, c'est-à-dire que l'on peut obtenir une trempe avec un refroidissement plus lent, et notamment une trempe à cœur des pièces : nickel (Ni), chrome à basse teneur (Cr) ;
• certains éléments renforcent l'acier, en particulier piègent les impuretés et évitent la fragilisation ou bien viennent former des « particules de renfort » (durcissement structural) : molybdène (Mo), titane (Ti), niobium (Nb), tungstène (W) ;
• certains éléments permettent de résister à la corrosion (rouille) : chrome à haute teneur (Cr).

Un élément peut avoir plusieurs rôles.

Les éléments chimiques

Les éléments chimiques présents dans l'acier, autres que le fer et le carbone, peuvent être classés en trois 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 impuretés sont aussi produites lors des diverses phases d'élaboration de l'acier comme par exemple :

• les oxydes FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄, MnO, CaO ;
• les carbures Fe₃C, Cr₂₃C₆, NiC, TiC ;
• les sulfures MnS, NiS (réciproquement responsable des problèmes d'arrachement lamellaire et de liquation) ;
• …

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.

pour en savoir plus : voir l'article sur le 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 cristalline 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).

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…, 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…).

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 :

1. 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…),
2. Les exigences particulières liées à la règlementation (directives, décrets, loi…) et les spécifications techniques des grands donneurs d'ordres,
3. 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,
4. 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,
5. 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.
6. Les exigences internes requises par les procédés de fabrication de l'utilisateur (planéité, limitations de teneurs en éléments chimiques, marquage), et
7. 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 7^e point quant à lui peut être soumis aux effets de la spéculation.