LE MATÉRIAU ACIER
<= Notes sur les pratiques techniques
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:
Elaboration d’acier liquide à partir du minerai (filière fonte) ou à partir de ferraille (filière électrique, plus économique). Un des buts principaux est l’ajustage de la composition chimique qui va déterminer les qualités de l’acier
Le minerai de fer est broyé, criblé, puis homogénéisé et se présente sous forme de grains qui s’agglomèrent entre eux
Le charbon est transformé en coke pour la combustion dans les haut-fourneaux (on doit le débarrasser de ses impuretés et de son humidité). Le coke est du carbone presque pur se présentant sous forme d’une structure poreuse et résistante à l’écrasement. Le coke va apporter la chaleur nécessaire à la fusion du minerai ainsi que les gaz nécessaires à sa réduction
Minerai et coke sont enfournés par le haut du fourneau, par couches alternées. De l’air chaud est insufflé par la base et provoque la combustion du coke. C’est le monoxyde de carbone qui va réduire les oxydes métalliques
Le minerai fondu s’appelle fonte, et sur cette masse liquide flotte les résidus (impuretés) appelés gangue, récupérés pour d’autres industries
La fonte part à l’aciérie dans des wagons thermos spéciaux
A l’aciérie la fonte est décarburée dans des convertisseurs à oxygène et on obtient de l’acier sauvage. On récupère la aussi les résidus pour d’autres usages. L’acier sauvage est acheminé vers la station d’affinage où on ajuste la composition chimique de l’acier par décarburation et addition d’éléments chimiques (mise à nuances)
Les demi-produits sont transformés en produits finis par laminage, procédé principal de mise en forme consistant à étirer et écraser le métal à chaud (830°C) pour lui donner les formes et dimensions souhaitées (les produits finis peuvent aussi dans une moindre mesure être forgés, moulés ou fabriqués à partir de poudres d’alliages). Pour une large part de produits plats, cette opération est complétée par un laminage à froid afin d’en réduire encore l’épaisseur, et parfois aussi pour faire l’objet d’un parachèvement (e.g. galvanisation).
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:
Influence de la teneur en carbone sur les courbes de traction:
Schéma type de la génèse des grains |
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Lors de son refroidissement, un acier à l’état liquide commence assez vite à être le siége de germination, appelées dendrites |
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Puis les dendrites se développent comme de petits arbres: c’est la germination. |
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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. |
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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 |
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Baisse de la soudabilité |
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Soufre (S) |
Diminution de la résilience |
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Augmentation des hétérogénéités |
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Baisse de la forgeabilité |
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Azote (N) |
Diminution de la résilience |
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Accroissement de la sensibilité au vieillissement |
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Baisse de la soudabilité |
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Eléments d’additions et alliages (ajout volontaire) |
Silicium (Si) |
Calmage de l’acier |
Augmentation des caractéristiques mécaniques |
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Amélioration de la tenue à la corrosion |
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Manganèse (Mn) |
Amélioration des caractéristiques mécaniques |
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Amélioration de la ductilité |
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Cuivre (Cu) |
Amélioration de la tenue à la corrosion |
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Chrome (Cr) |
Amélioration de la tenue à la corrosion |
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Augmentation des caractéristiques mécaniques |
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Nickel (Ni) |
Amélioration de la tenue à la corrosion |
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Réduction de la fragilité aux basses températures |
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Vanadium (V) |
Augmentation des caractéristiques mécaniques |
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Aluminium (Al) |
Calmage de l’acier |
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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. |
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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%) |
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Cémentite: carbure de fer Fe3C (teneur en carbone 7%) (localisés dans les joints de grains, car extérieur au réseau cristallin) |
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Graphite: carbone en excès dans le fer, donc à l’état libre et localisé dans les joints de grains |
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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 |
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Martensite: |
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Sorbite: |
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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’
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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.
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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. ![]()
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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 :
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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: