LE MATÉRIAU ACIER

<= Notes sur les pratiques techniques

Fabrication de l’acier: le fer est un des éléments les plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu partout combiné à d’autres éléments, sous forme de minerai. Si la température est relativement basse, on produit du fer sous forme pâteuse qu’il fallait ensuite marteler à chaud pour le débarrasser de ses impuretés, avant de le forger. Avec l’augmentation de température ce fer absorbe une quantité croissante de carbone, jusqu’à donner un produit en fusion: la fonte, qui n’est ni forgeable ni soudable, mais est moulable, la rendant apte à la fabrication de toute sorte d’objets.

La fonte permet aussi de produire du fer en quantité par affinage: la fonte chauffée et soumise à de l’air soufflé se décarbure, et le fer s’écoule goutte à goutte, formant une masse pâteuse de fer brut. Par la suite des procédés de fabrication de l’acier furent mis au point, d'abord par fusion du fer d’affinage, puis par transformation directe de la fonte en acier (puddlage). On distingue classiquement :

Parmi les aciers au carbone, on distingue:



Etapes de fabrication des produits en acier:



Moyens pratiques de reconnaître la nuance d'acier et/ou son mode de fabrication: seuls des essais précis en laboratoire permettent d'identifier correctement et sans erreurs la nuance d'acier. Toutefois l'essai aux étincelles permet avec une certaine approximation d'estimer le % de carbone et de certains éléments d'addition:

L'aspect extérieur permet en outre de distinguer trés facilement:

Fer pur: Le fer pur a une structure en réseau cristallin régulier qui subit des transformations réversibles lorsque la température varie:

Fer a pour des températures inférieures à 900°C; composé peu tenace et très ductile

structure cristalline cubique centrée, existant à la température ambiante

Fer g pour des températures comprises entre 900° et 1400°C

Structure cristalline cubique à face centrée, vers 910°C

Fer d pour des températures comprises entre 1400° et 1530°C

Retour à la structure cristalline cubique centrée, vers 1390°C

Fusion

Vers 1530°C

Le carbone constituant essentiel: une bonne part des caractéristiques des aciers de construction dépend de cet élément et de son agencement dans la structure du métal. D’une manière générale l’augmentation de la teneur en carbone a pour résultats:

  • Relèvement de la dureté
  • Accroissement de la résistance à la traction
  • Raccourcissement du palier de ductilité
  • Diminution de l’allongement à la rupture
  • Elévation de la sensibilité à la trempe
  • Dégradation de la soudabilité

Influence de la teneur en carbone sur les courbes de traction:

Schéma type de la génèse des grains

Lors de son refroidissement, un acier à l’état liquide commence assez vite à être le siége de germination, appelées dendrites


Puis les dendrites se développent comme de petits arbres: c’est la germination.


Chaque germe donne ensuite naissance à un grain. La taille de ces grains a une grande importance sur les caractéristiques mécaniques de l’acier. Des opérations comme le laminage peuvent l’affiner.


Essais métallographique: ils consistent en l’examen visuel (œil nu ou microscope) de la surface polie d’une éprouvette de métal. On peut ainsi visualiser de nombreux paramètres dont: la vitesse de refroidissement, la grosseur des grains, l’homogénéité, la présence d’impuretés, etc.

Autres composants:

Impuretés

(présence involontaire)

Phosphore (P)

grossissement du grain entraînant une fragilité à froid

Effet de ségrégation chimique

Baisse de la soudabilité

Soufre (S)

Diminution de la résilience

Augmentation des hétérogénéités

Baisse de la forgeabilité

Azote (N)

Diminution de la résilience

Accroissement de la sensibilité au vieillissement

Baisse de la soudabilité

Eléments d’additions et alliages

(ajout volontaire)

Silicium (Si)

Calmage de l’acier

Augmentation des caractéristiques mécaniques

Amélioration de la tenue à la corrosion

Manganèse (Mn)

Amélioration des caractéristiques mécaniques

Amélioration de la ductilité

Cuivre (Cu)

Amélioration de la tenue à la corrosion

Chrome (Cr)

Amélioration de la tenue à la corrosion

Augmentation des caractéristiques mécaniques

Nickel (Ni)

Amélioration de la tenue à la corrosion

Réduction de la fragilité aux basses températures

Vanadium (V)

Augmentation des caractéristiques mécaniques

Aluminium (Al)

Calmage de l’acier

Agent d’affinement du grain

Diagramme fer/carbone:

Généralement le carbone se met en place par solutions solides d’insertion, et non de substitution, car les atomes de carbones sont de taille réduite. Suivant les cas plusieurs constituants peuvent se former:

Ferrite: fer a associé à l’infime teneur en carbone compatible avec le réseau cubique centré.


Austénite: fer b et carbone en teneur plus élevée du fait de la meilleure solubilité dans le réseau cristallin cubique à faces centrées (jusqu’à 1.9%)


Cémentite: carbure de fer Fe3C (teneur en carbone 7%) (localisés dans les joints de grains, car extérieur au réseau cristallin)


Graphite: carbone en excès dans le fer, donc à l’état libre et localisé dans les joints de grains

 

Perlite: mélange eutectoïde à 0.85%. La transformation ferrite/austénite est brutale à 728°C, à l’image de la liquéfaction d’un corps pur. A température ambiante ce mélange est un agrégat lamellaire de ferrite et de cémentite


Martensite:


Sorbite:


Traitements mécanique et thermique: ceux-ci exploitent les transformations cristallines que l’action mécanique ou la température provoquent, pour modifier la structure de l’acier; En jouant sur la vitesse de variation de cette température on donne ainsi des caractéristiques mécaniques recherchées à l’acier.

Pour situer les températures en cause dans les traitements thermiques, on utilise les repères suivant, appelés points critiques:

Ecrouissage: on fait subir au métal des contraintes mécaniques dans le domaine plastique par laminage, forgeage ou tréfilage. Cet écrouissage augmente la limite d’élasticité et provoque un allongement rémanent OO’

Recuit: échauffement, maintien à un palier, puis refroidissement à l’air calme ou en four. Ce traitement est utilisé par exemple pour les aciers écrouis par un laminage, forgeage, etc. il permet non pas d’améliorer les qualités de l’acier, mais de lui restaurer ses qualités originelles en éliminant les effets des étapes antérieures liées à la fabrication.


  • Recuit de normalisation: on chauffe l’acier à 900°C (début d’austénitisation) et on refroidit lentement (affinage de la taille des grains)
  • Recuit de recristallisation: on réchauffe l’acier entre 600°C et 700°C (sans austénitisation) et on le refroidit lentement. Cela permet de restaurer un réseau cristallin homogène pour des aciers rendus moins ductiles par déformations et orientation privilégiée des grains due à un écrouissage. Pour des produits déformés à froid, il permet donc d’effacer les zones d’écrouissage et de faciliter la mise en forme ultérieure
  • (le recuit est peu utilisé en construction métallique)

Trempe: échauffement au dessus de 900°C - maintient jusqu’à complète austénitisation - refroidissement rapide, voire brutal; l’acier prend grâce à la trempe une structure martensitique, d’une grande dureté et d’une grande fragilité. Pour que cet effet puisse exister, l’acier doit avoir au moins 0.15% de carbone; En dessous ils ne sont plus exposés au risque de fragilisation par effet de trempe.


  • Augmentation de la résistance à la traction
  • Perte de ductilité
  • En général la trempe est suivie d’une opération de revenu afin d’atténuer la perte de ductilité

Revenu: réchauffage après trempe vers 550-600°C, maintien puis refroidissement en air calme. Ce traitement atténue les effets de la trempe en libérant les contraintes internes de la structure et l’écrouissage :


  • Diminution des contraintes dues à l’écrouissage
  • Diminution de la résistance élastique et de la résistance à la traction
  • Amélioration de la ténacité et de la ductilité.

Contraintes résiduelles dues au laminage: des contraintes résiduelles internes peuvent avoir lieu par refroidissement inégal des différentes zones du profilé. Plus la pièce formée par laminage est épaisse et plus elle se refroidira lentement et de manière non homogène ; de plus ces contraintes internes entraînent un grossissement du grain et une baisse de la limite d’élasticité. Voilà pourquoi les normes, pour un même acier, réduisent la valeur de la limite élastique en fonction de l’épaisseur de la pièce.

Le recuit fait en grande partie disparaître ces tensions mais il réduit aussi la limite élastique. A l’heure actuelle les procédés de laminage permettent de mettre en forme l’acier et aussi de lui faire subir un traitement thermique qui lui restaure ses propriétés :

  • Laminage normalisant N: permet d’obtenir un matériau équivalent à un acier laminé ayant subi un recuit de normalisation

  • Laminage thermomécanique M: permet d’avoir des pièces aux dimensions voulues, avec un cycle de traitement thermique spécialement étudié qui permet d’avoir une résistance mécanique améliorée ainsi que des caractéristiques élevées de ductilité

Désoxydation: on élimine le carbone grâce à de l’oxygène qui réagit avec celui-ci. Cependant s’il reste trop d’oxygène en fin d’opération cela comporte des inconvénients (dégagement d’oxydes de carbones dangereux en fin de solidification, formation d’oxydes de fer fragilisants pour l’acier). On doit également éliminer l’azote car il entraîne une mauvaise soudabilité de l’acier. La désoxydation consiste à éliminer les gaz dissous dans la masse de métal et en particulier l’oxygène et l’azote.

On obtient alors des aciers:

  • Effervescent: désoxydation peu importante, soudage déconseillé
  • Non effervescent
  • Calmés: on ajoute des éléments d’addition en quantité suffisante pour fixer la totalité de l’azote présent dans l’acier (souvent de l’aluminium)