Matériaux : l'acier

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Cours
Jerome

Par Jerome

Mise à jour le 30-06-2011

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Cet article a essentiellement pour objet de servir d’introduction générale à l’ensemble d’articles qui traitent, dans la rubrique Propriétés des métaux, des différents aciers. C’est ainsi que, partant de la nécessité d’améliorer les propriétés du fer pour en faire un matériau performant, il s’intéresse tout d’abord aux possibilités de durcissement et notamment à celles qui découlent des changements d’états structuraux et qu’amplifient les éléments d’alliage. Puis il précise ce que signifient les caractéristiques mécaniques utilisées pour quantifier ce que sont les performances mécaniques des aciers. Ensuite il décrit ce que sont les différents aciers (il explicite aussi comment ceux-ci sont désignés dans le cadre de la normalisation européenne) et les formes (produits) sous lesquelles ils sont proposés aux utilisateurs. Enfin il donne des indications générales sur la mise en œuvre des aciers, c’est-à-dire sur les possibilités qui s’offrent aux constructeurs de mettre en forme, d’assembler et de rendre performants les produits en aciers. Et tout cela en tentant, à chaque pas, de préciser et d’expliciter le vocabulaire utilisé par les métallurgistes et en renvoyant à tous les articles.

 

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Plan du document :

 

I. Définition

 

II. Propriétés du fer

 

III. Comment durcir le fer

 

IV. Durcissement et changement d'états structuraux du fer

 

V. Éléments d'alliage présents dans les aciers

 

VI. Performances mécaniques des aciers

 

VII. Mise en oeuvre des aciers

 

VIII. Différents aciers

 

IX. Produits en aciers

 

 

I. Définition

Salon le dictionnaire ROBERT, un acier est un  « alliage de fer et de carbone (moins de 1,5 %) auquel on donne, par traitement mécanique ou thermique, des propriétés variées (malléabilité, résistance...) ».

Selon la norme NF EN 10020 (qui en juin 1989 a remplacé la norme NF A 02-025), « on appelle acier un matériau dont le fer est l’élément prédominant, sa teneur en carbone est généralement inférieure à 2 % et il contient d’autres éléments ; un nombre limité d’aciers au chrome peut avoir une teneur en carbone supérieure à 2 %, mais cette valeur de 2 % est la teneur limite courante qui sépare l’acier de la fonte ».

A la lecture de ces deux définitions, on constae que la limite supérieure à la teneur en carbonne des alliages Fe-C susceptibles de s'appeler des aciers (par différence avec les fontes) est délicate à préciser. 

 

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II. Propriétés du fer

La tableau 1 rassemble leurs valeurs de différentes propriétés physiques du fer pur et mécanisques du fer pratiquement pur. 

A son examen, on constate que le fer pratiquement pur n'es pas mécaniquement très performant. Ses caractéristiques de résistance (limite d’élasticité, résistance à la traction mais aussi dureté, ténacité...) sont faibles ; en contrepartie, ses caractéristiques de plasticité (allongement à rupture mais aussi striction, énergie de rupture par choc sur éprouvette entaillée...) sont très élevées. Cette remarque est d’ailleurs valable pour tous les métaux purs ; le métallurgiste sait qu’il doit les durcir pour leur conférer des propriétés mécaniques intéressantes pour les constructeurs et qu’il devra simultanément tolérer une baisse concomitante de la ductilité.

 

> Voir tableau

 

 

III. Comment durcir le fer

Pour augmenter les performances mécaniques du fer au voisinage de la température ambiante, il faut diminuer ses possibilités de déformation plastique (article L’état métallique. Déformation plastique [M 45] dans ce traité) : celles-ci dépendant de la mobilité des dislocations, il faudra donc installer des obstacles sur le parcours de ces dernières.

Ces obstacles pourront être :

• d'autres dislocations générées par écrouissage ou par trempe;

• des atomes étrangers introduits en solution solide, 

• des précipités , 

• des joints de grain. 

 

1. Durcissement par d'autres dislocations

Ces sont les forces d'interaction (attraction ou répulsion) qui freinent les dislocations mobiles. Par ailleurs, les contraintes créees par des dislocations en dehors de leur plan ainsi que les crans formés lors des croissements perturbent aussi les glissements. 

Dans ces conditions, la valeur de la contrainte nécessaire pour déplacer une dislocation est globalement égale à la somme : 

• d'un terme constant égal à la contrainte apte à déplacer une dislocation dans un monocristal parfait du métal; 

• d'un terme proportionnel à la racine carrée de la densité des dislocations (cette densité peut approximativement varier de 108 cm/cmdans un fer recuit à 1011-1012 cm/cmdans un fer écroui). 

La courbe de traction décrit les possibilités d'un tel durcissement qui, il faut le noter, est acquis en consommant une part plus ou moins grande de la plasticité du métal de départ. Ce durcissement diminue et peut totalement disparaître à l'occasion d'un réchauffement susceptible de provoquer une restauration ou une recristallisation (article Écrouissage d’alliages d’aluminium [M 230]).

 

2. Durcissemment par des éléments en solution solide

Les éléments étrangers en solution solide ayant des tailles diffé- rentes de celles des atomes de fer créent des distorsions élastiques du réseau de ce dernier et engendrent de ce fait des interactions avec les dislocations.

Si les atomes en solution sont peu mobiles (soluté en substitution), une ligne de dislocation va se déformer pour rejoindre le plus grand nombre possible d’entre eux : l’effort nécessaire pour déplacer la dislocation sera augmenté pour l’arracher à cette position plus stable.

 

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IV. Durcissement et changement d'états structuraux du fer

Le principal facteur de durcissement du fer est, en pratique, la précipitation de carbures du fer ou des éléments carburigènes contenus dans l'acier. 

Cette possibilité est offerte par les changements d'état cristallographique du fer qui s'accompagnent de variations importantes de solubilité du carbonne. En effet, si l'on considère le diagramme Fe/C (figure 1), on constate qu'à l'état solide : 

 

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V. Éléments d'alliage présents dans les aciers

Les influences des éléments d'alliage susceptibles d'être introduits dans les aciers doivent être étudiées en fonction de divers paramètres : 

• leur solubilité; 

• leur action sur les structures d'équilibre;

• leur aptitude à former certains composés (nitrures, oxydes, sulfures et intermétalliques); 

• leur action sur les transformations hors équilibre. 

 

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VI. Performances mécaniques des aciers

Les propriétés mécaniques des aciers sont mesurées à l'aide de divers essais (traction, rupture par choc, mécanique de la rupture, fatigue ...) qui permettent de connaître les niveaux atteints par les caractéristiques de : 

• résistance statique; 

• ductilité; 

• résistance au choc (résilience); 

• ténacité; 

• endurance.

 

Sans nous attarder sur les méthodes, d'essais, nous allons dans ce paragraphe nous intéresser à la signification pratique des résultats obtenus et nous terminerons par quelques remarques sur le simple essai de dureté. 

 

1. Caractéristiques de résistance statique

 

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2. Caractéristique de ductilité

L’essai de traction selon la norme NF EN 10002 permet de mesurer trois caractéristiques de ductilité :

• Ag allongement pour-cent après rupture, 

• Ag coefficient de striction; 

• Ag allongement pour-cent non proportionnel sous charge maximale.

 

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3. Résistance à la rupture par choc

L’essai de flexion par choc (selon NF EN 10045-1) est un essai de rupture en flexion réalisé sur une éprouvette entaillée bi-appuyée, l’application de l’effort se faisant par choc à mi-distance entre les appuis. La présence de l’entaille et la vitesse de déformation imposée créent une situation particulière :

• l'entaille modifie le comportement du matériau en provoquant l'apparition des contraintes triaxiales de traction; on sait que, en faisant référence au critère de Von Mises par exemple, pour qu’une déformation plastique puisse se développer il faut avoir : 

 

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4. Tenacité 

L’utilisation de matériaux possédant des caractéristiques de résistance élevées et, de ce fait, une ductilité limitée a conduit à prendre en compte, face aux défauts inévitables présents dans une construction, leur tenacité c’est-à-dire leur capacité à s’opposer à la propagation brutale d’une fissure. Cela est fait à travers le facteur critique d’intensité de contrainte KIc (norme Afnor A 03-180). Sa valeur est déterminée dans ces conditions telles qu’elle puisse être indé- pendante de la géométrie de l’éprouvette et de celle de l’entaille, c’est-à-dire que :

• l'épaisseur de l'éprouvette soit supérieure à l'épaisseur limite au-delà de laquelle la valeur mesurée ne varie plus avec elle; 

• l'acuité de l'entaille soit supérieure à l'acuité limite au-delà de laquelle la valeur mesurée ne varie plus avec elle (l'acuité maximale est généralement obtenue par fissuration en fatigue). 

 

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5. Endurance

La résistance d’une pièce à des sollicitations répétées indéfiniment (fatigue) dépend de sa limite d’endurance qui caractérise sa résistance à la fatigue. Celle-ci peut se situer à un niveau modeste par rapport à sa résistance en conditions statiques.

 

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VII. Mise en oeuvre des aciers

 

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VIII. Différents aciers

 

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IX. Produits en aciers

 

1. Demi-produits

Produits obtenus par : 

• coulée continue pouvant être suivie ou non de laminage ou forgeage ou tronçonnage;

• coulée sous pression ; 

• laminage ou forgeage ou tronçonnage des lingots ; 

et destinés en général à la transformation en produits plats ou longs par laminage ou forgeage à chaud ou à la transformation en pièces mécaniques par forgeage chaud tiède. 

Leurs sections droites peuvent avoir des formes différentes ; elles sont de dimension constantes le long de la pièce avec, par rapport aux produits plats ou longs correspondants, des tolérances plus larges et des angles plus ou moins arrondis. 

Les faces latérales sont parfois plus ou moins convexes ou concaves, elles peuvent avoir conservé des empreintes du laminage (ou du forgeage ou de la coulée continue) , avoir été partiellement ou totalement écroûtées, pour éliminer les défauts par exemple par chalumage à chaud ou enlèvement de copaux...

 

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2. Produits longs

Les produits longs ont une section droite constante le plus souvent définie par une norme qui fixe les gammes de dimensions courantes ainsi que les tolérances de forme et de dimensions. Leur surface techniquement lisse, mais peut également, dans certains cas (par exemple : acier à béton), présenter intentionnellement certains creux ou reliefs régulièrement espacés. 

 

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3. Produits plats

Produits de section droite presque rectangulaire et dont la largeur est très supérieure à l'épaisseur. Leur surface est techniquement lisse mais peut également, dans certains cas [par exemple : tôles à larme ( tôles comportant des reliefs superficiels antidérapants)], présenter intentionnellement certains creux ou reliefs régulièrement espacés. 

 

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4. Autres produits

Produits à usage particulier 

Fer noir : produit plat en acier doux non alllié livré en feuilles ou en bobines qui peut avoir subi une simple ou une double réduction à froid. 

Le fer noir simple réduction est fourni en épaisseur de 0,17 mm jusqu'à et y compris 0,49mm : le fer noir double réduction en épaisseur de 0,14 mm jusqu'à et y compris 0,29 mm. 
Ce produit peut parfois être utilisé pour certaines applications directes (emballages). Dans ce cas, le produit doit être adpte au vernissage, laquage et impression.

Tôles profilées : les tôles profilées sont des produits obtenus parfois à partir de tôles nues et, le plus souvent, revêtues. 
On distingue : 

- Les rôles ondulées : produit présentant des ondulations longitudinales (petites ou grandes ondes) ; 
- les rôles nervurées : produits présentant des nervures longitudinales, rectangulaires ou trapézoïdales. 

• Tôles et bande en aciers magnétiques : tôles ou bandes laminée à froid, généralement d'une épaisseur inférieure à 2 mm et d'une largeur inférieure ou égale à 1500 mm destinées à la construction des circuits magnétiques. 

 

 

 

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