chapitre1

Francine SEINTURIERIUT Génie Civil de Grenoble

1. Le matériau acier

1. 2. Elaboration de l’acier

Filière FonteAciérie à l’Oxygène

Capacité de production d’une aciérie plus élevéeEn France 70% de la productionMinerai de fer + Coke

(oxyde de fer (houille+ gangue) transformée)

�

Haut fourneauFusion du minerai et de l’oxyde de carbone

�réduction des oxydes de fer

�Fer pur se combine avec du carbone

�

Fonte liquide 1250°C3 à 4% de Carbone

+Laitier de haut fourneau

�

ConvertisseurOxygène insufflé brûle les éléments indésirables

(Carbone ..)

Filière ferrailleFour électrique

Plus économique en équipements et en énergieEn France 30% de la production en croissance

Ferrailles de récupérationTri

�

Four électriqueFerraille fondue par des arcs électriques

Acier liquide « sauvage » 1600°C(Fer presque pur <1% carbone)

�

Station d’affinage(décarburation et additions chimiques)

�

Coulée continue�

Demis produitsBrames (produits plats)

Blooms ou billettes (produits longs�

Laminoir à chaudPréchauffage des demis produits

Etirement amincissement et mise en forme

Produits plats Produits Longs


1. 2. Les deux grandes familles de produits finis

1. 2. 1. Les produits longsCe sont tous les profilés :� Poutrelles en I , H, U , T..� Les cornières� Les tubesMais aussi, les rails, les palplanches, les fils, les ronds à béton.Voir le catalogue de l’OTUA « produits sidérurgiques caractéristiques dimensionnelles » quidonne à l’utilisateur toutes les caractéristiques dimensionnelles mais aussi les caractéristiquesnécessaires au calculs des résistances et des fléches.

Les produits longs sont particulièrement utilisés dans le domaine des Travaux Publics et deBâtiments.

1. 2. 2. Les produits platsLa largeur est très supérieure à l’épaisseur

Les produits plats non revêtusPlaques (ou plats)

Leur épaisseur peut varier de 10 à 150 mm. Les plats d’utilisation courante ontune épaisseur qui se situe entre 10 et 25 mm. Leur largeur peut aller jusqu’à 5m

Les tôles à chaudEn feuille ou en bobine leur épaisseur varie de 2 à 10 mm

Produits plats laminés à froidIls ont une épaisseur inférieure à 3mm (large bande, feuillard)

Les produits plats revêtusCes produits sont revêtus d’un métal protecteur qui les protége de la corrosion

� Zinc :La durée est limitéeGalvaniséElectrozingué (l’épaisseur est plus faible)

� Aluminium : Résistance à la corrosion élevée, surtout en atmosphèresindustrielles

� Zinc plus aluminium (5% d’aluminium) plus performant que la galvanisation� Tôles plaquées, le plus souvent d’acier inoxydable.� Produits plats revêtus de plomb

Aciers non alliés revêtus de plomb : résistance aux fumées chargées de soufreAciers inox revêtu d’un alliage de plomb et d’étain : utilisé pour la réalisationde couvertures, résiste très bien à la pollution urbaine et industrielle .

� Produits plats prélaquésLa laque protège de la corrosion et donne un aspect fini de qualité, elle estappliquée soitsur des tôles à froidsur des tôles déjà galvanisées

� les produits plats à surface parachevéeCe sont des produits non revêtus mais ils ont pu êtreDécapés, grenaillés,Et pour les aciers inox :Brossés, polis, colorés, gravés, etc.…


1. 3. Les caractéristiques mécaniques de l’acier

1. 3. 1. Résistance à la tractionCet essai se fait sur des éprouvettes normalisées. Lors de l’essai de traction, on établit lacourbe de la relation entre allongement et contrainte, « la courbe de traction ».Sur cette courbe, on distingue plusieurs domaines

� Domaine élastiqueLes allongements sont proportionnels aux contraintes, et les déformations sontréversibles, ce domaine est défini par la loi de Hooke :� = E �E= tg � = 210000 Mpa module d’élasticité ou module d’YoungLa limite élastique notée R e,H (ou Rp,0,2) ou fy (Eurocode) est une caractéristiquefondamentale des aciers, c’est celle spécifiée dans les normes des aciers. C’est unelimite minimum garantie.C’est le domaine d’utilisation du matériau en Résistance des Matériaux.� Domaine plastiqueL’accroissement de la contrainte est pratiquement nul, l’allongement est important.L’importance de la zone de plasticité dépend de la qualité de l’acier ( sur le schéma , ils’agit d’un « acier doux »). Pour permettre que certaines zones d’une section plussollicitées que d’autres puissent s’allonger sans danger (sous l’effet de concentrationsde contraintes, dans des zones de soudure,…) l’allongement résiduel doit avoir unevaleur mini de l’ordre de 20%.Lorsque la charge est supprimée dans cette zone, le retour se fait parallèlement à lazone élastique, avec la même pente.Si on retire sur l’éprouvette, la déformation est élastique et suit le même trajet, lalimite d’élasticité de l’acier qui a été déformé plastiquement a été augmentée. Cetteaugmentation peut être importante, c’est l’écrouissage.

23%

∆∆∆∆l/l0

F/A

ReH

235 MPaβ

Limite conventionnelle à0,2%

Rm ou fu=340 MPa

Acier S235 JR

Palier plastique

Seuil de raffermissement

αααα

écrouissage

6%

fr

F

F

A en mm2

l 0=5,

65√A

Eprouvette normalisée


� Domaine de la striction, ruptureAu delà du maximum en contrainte de la courbe : « limite de résistance à la traction »notée Rm (fu Eurocode), le métal continue à s’allonger et sa résistance diminue Larupture se produit dans une zone localement déformée (diminution de la section del’éprouvette) , c’est la zone de striction. .Un élément de structure ne doit pas atteindre Rm

1. 3. 2. La résilience

Essai de flexion par chocCet essai consiste à rompre d’un seul coup de mouton-pendule, une éprouvette ISO entaillée en son milieu etreposant sur 2 appuis. On détermine l’énergie absorbée par la rupture en mesurant la hauteur de chute du pendulequi provoquera la rupture.

Les aciers sont parfois susceptibles de se rompre brutalement sanrésiduelle.L’essai de flexion par choc (ou mouton de « Charpy ») permet ded’énergie nécessaires à la rupture de l’éprouvette.Ces niveaux d’énergie peuvent être différents suivant la températOn classe ainsi les aciers : pour une température donnée, une énergénéral 27 joules sur éprouvette ISO) est garantie.

.Energieabsorbéeen joules Rupture fragile

Zone de transition

Rupture du

T2 TK27 T1

TK27 tede tran27 jou

27 J

éprouvetteBâti Arête du couteau

Marteauc

appui

outeau

s déformation permanente

mesurer des quantités

uregie de rupture minimale (en

Température

ctile

mpératuresition àles

Eprouvetteentaillée


1. 4. La soudabilité

Un joint soudé doit avoir les mêmes caractéristiques que le métal de base, même élasticité,même résistance maximale, même ductilité, etc..La soudabilité d’un acier sera en fait définie par son aptitude à ne pas avoir de ;• zones de trempe dures et fragiles• de grossissement de grains• de fissures et de criques

La soudabilité d’un acier dépend en fait de sa composition chimique, elle dépend des élémentsd’addition et de leur teneur.Certains éléments augmentent la résistance peuvent nuire à la soudabilité . C’estessentiellement le cas du Carbone ( C ) mais aussi du Chrome ( Cr) et du Molybdène (Mo).D’autres tels que le Manganèse ( Mn ), le Nickel ( Ni ) ont plutôt tendance à améliorer lasoudabilité des aciers .

Il est possible pour un acier de préjuger de sa trempabilité globale. On calcule en fonction desa composition chimique un « teneur de carbone équivalent » ;le carbone est choisiarbitrairement comme élément de base car il a une influence primordiale sur la dureté del’acier..

1. 5. Aspect normatif des aciers

Du fait du remplacement des normes nationales par des normes européennes, le systèmeévolue et se révèle complexe car la situation actuelle est transitoire.

La norme des « Produits laminés à chaud en aciers de construction non alliés » est, en France,la norme NF EN 10025.

1. 5 .1. Les aciers de construction d’usage courantLe mode de désignation des aciers de construction est défini dans la norme NF EN 10027-1suivant le tableau ci dessous:

Lettre Chiffre Symbole 1 Symbole 2exemple S 355 J2

Lettre S pour acier de constructionChiffre Valeur minimale de la limite d’élasticité en N/mm2 pour la gamme

d’épaisseur la plus faible.Symbole 1 Energie de rupture (voir résilience) en Joules pour une température d’essai

suivant le tableau ci-dessous

°C 20 0 -20 -30 -40 -50 -6027J JR J0 J2 J3 J4 J5 J640J KR K0 K2 K3 K4 K5 K660J LR L0 L2 L3 L4 L5 L6


Symbole 2 Modalité d’obtention de l’acierM : thermomécaniqueCe sont des aciers qui ont été laminés de manière à modifier la structure,souvent par des procédés de refroidissement accélérés avec ou sans revenu.N : normaliséCe sont les aciers qui après laminage et retour à température ambiante ontsubi un traitement thermique complet de normalisation.Q ; Trempé et revenuCe sont les aciers qui après laminage et retour à température ambiante ontsubi un cycle complet de trempe et revenu.G : autres caractéristiques

Les caractéristiques, compositions chimiques et conditions de livraison des aciers deconstruction sont définies par trois normes européennes principales :

NF EN 10025 (voir document ci joint) « Produits laminés à chaud en aciers de constructionnon alliés », cette norme concerne des aciers de limite d’élasticité de 235 à355 N/mm2. Ces aciers sont normalement livrés bruts de laminage ou à l’étatnormalisé.

NF EN 10113 « Produits laminés à chaud en aciers de construction soudables à grain fin »,cette norme concerne des aciers de limite d’élasticité de 275 à 460 N/mm2.Ces aciers peuvent être livrés à l’état normalisé ou obtenu par laminagethermomécanique.

Pr EN 10137 « Tôles et larges plats en aciers de construction à haute limite d’élasticité » cette norme concerne des aciers de limite d’élasticité de 460 à 690 N/mm2.Ces aciers peuvent être livrés soit à l’état trempé revenu, soit durcis parprécipitation.

1. 5. 2. Aciers inoxydables d’usage général

Les normes NF A 35-573 et NF A 35-574 seront remplacées par la norme EN 10088 enpréparation.

1. 6. Influence de l’accroissement de la température sur les caractéristiquesde l’acier

L’accroissement de la température conduit à la diminution des propriétés mécaniques commela limite d’élasticité et le module d’Young. Ainsi lorsqu’une structure métallique est soumiseà un incendie, sa capacité portante diminue. Si la durée et l’intensité d’un incendie sont assezimportantes, la capacité portante peut fortement décroître et peut conduire à la ruine de lastructure.

Des mesures appropriées de protection doivent être prises en fonction des exigences destabilité au feu qui sont exprimées en termes de durée d’un incendie normalisé.

La résistance ultime d’un élément de structure soumis au feu peut être calculée à partir de lacharge appliquée pendant l’incendie et de l’analyse plastique.


Variation de la limite élastique en fonction de la température pour un acier S235

θ <100°C 100°C 200°C 300°C 400°C 600°Cfy en MPa 235 210 200 180 168 88

Valeurs indicativesVariation du module d’Young en fonction de la température pour un acier S235, S275, S355

θ 100°C 200°C 300°C 400°C 500°CE en MPa 20500 19700 19000 18300 17300

Valeurs indicatives

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