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Matériaux de construction
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7/21/2019 Lacier Et Linox
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Raphaël Bodet
L’acier dans la construction
7/21/2019 Lacier Et Linox
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2 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
1. Introduction
2. Le fer pur
3. Comment durcir le fer ?4. Les aciers
5. Importance du dosage en carbone
6. Procédé d’élaboration de la fonte, le fer et l’acier
7. Propriétés physiques et mécaniques des aciers8. Importance de ces propriétés dans le génie civil
9. Codification des aciers en fonction de leur utilisation en BTP
10. Exemples de produits en acier
11. L’inox – quelques définitions
12. Propriétés physiques et mécaniques de l’inox
13. Désignation normalisée de l’inox
14. Exemples d’ouvrages en inox
Sommaire
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3 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Le fer est l'un des métaux les plus abondants de lacroûte terrestre.
On le trouve un peu partout, combiné à de nombreux
autres éléments, sous forme de minerai.Au commencement était le fer...
Puis vint la fonte...
Au XVème siècle, apparition des premiers hauts fourneaux de4 à 6 mètres de haut pour fabriquer la fonte utilisée danstoutes sortes d'objets (marmites, boulets de canons, chenets,
tuyaux).
On produisait aussi du fer pur grâce à l'affinage à chaud dela fonte, sous air soufflé, ce qui provoquait la combustion ducarbone contenu dans la fonte,
..Et enfin l'acier En 1786, Berthollet, Monge et Vandermonde, trois savants français,établirent la définition exacte du trio fer-fonte-acier et le rôle ducarbone* dans l'élaboration et les caractéristiques de ces troismatériaux.
* teneur en carbone < 0,10 % dans le fer, entre 0,10 et 2 % dans l'acier et entre
2,5 et 6 % dans la fonte.
Introduction
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4 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Le fer pur (Tfusion = 1538°C) existe à l'état solide sous deux formes cristallines
• cubique centrée cc (fer α et δ)
La structure cristalline du fer est :
• T < 912°C, phase cubique centrée : fer α ou ferrite basse T• A 912°C fer α fer γ • De 912 °C à 1394°C, phase cubique à faces centrées : phase γ ou austénite• A 1394°C fer γ fer δ
• De 1394°C jusqu’à la fusion, phase cubique centrée : phase δ ou ferrite haute T
atome de ferstructure cc structure cfc
Le fer pur
• cubique à face centrée cfc (fer γ )
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5 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Propriétés physiques
Le fer pur est mou (ductile)
Caractéristiques Température °C
Valeur
Propriétés physiquesMasse volumique ...............................Module d'élasticité longitudinal(module d'Young) E............................Module de Coulomb G........................
Coefficient de dilatation ......................Coefficient de dilatation moyen ...........
Capacité thermique massique...............Capacité thermique massiquemoyenne
Conductivité thermique .......................
Conductivité thermique moyenne .........Résistivité ..........................................Résistivité moyenne ...........................
20
2020
200 à 100
20
0 à 100
20
0 à 10020
0 à 100
7 870 kg/m3
211 400 N/mm2
81 600 N/mm2
11,2.10
-
6 K
-1
12,3.10-6 K-1
444 J. kg-1 K
-1
456 J. kg-1 K
-1
73,3 W.m-1.K
-1
78,2 W.m
-1
.K'
7
10,1 µΩ. . cm10,3 µΩ. . cm
Propriétés du fer pur
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6 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Propriétés mécaniques
Le fer pur n’est pas mécaniquement performant
Caractéristiques Tempé rature°C
Valeur
Propriétés mécaniquesC % = 0,02 à 0,04; Mn % = 0,02 à 0,03; N % inconnu
- 100Limite d'élasticité R e ........................... 20
200400
- 100Résistance à la traction R m .............. 20
200400
- 100Allongement à la rupture A ................ 20
20040020
Limite d'endurance à 107 cycles.. 200400
367 N/mm2
168 N mm2
165 N/mm2
98 N/mm2
480 N/mm2
310 N/mm2
400 N/mm2 280 N/mm
2
25%42%26%16%
+/- 185 N/mm2
+/- 178 N/mm2
+/- 178 N/mm
2
Propriétés du fer pur
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7 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Pour augmenter les performances mécaniques du fer au voisinage de latempérature ambiante, il faut diminuer ses possibilités de déformationplastique
Les déformations dépendent de la mobilité des dislocations
Créer des obstacles sur le parcours de ces dernières
• d'autres dislocations générées par écrouissage ou par trempe
• des atomes étrangers introduits en solution solide
• des précipités
• des joints de grain
Comment durcir le fer ?
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8 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Le principal facteur de durcissement du fer est la précipitation decarbures dans l'acier (carbures de Cr, Si, Mn, Ni …)
Par formation de précipités
Durcissement liée à
l’ajout de composés↓
Effet de l’ajout de composés sur
les caractéristiques mécaniques
Comment durcir le fer ?
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9 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
1. Le carbone
Dans un acier, le carbone est en quantité telle qu'à haute
température, lors de l'achèvement de la solidification (à latempérature du solidus), cet élément est dissous (en solutionsolide avec le fer) et n’est donc pas du tout précipité sous formede carbure ou de graphite)
2. Les autres ajouts
Nickel (Ni)• Abaisse la température de transformation• Augmente l’élasticité (diminue la fragilité)• Augmente la résistance à la corrosion
Par ajout d’éléments en solution solide
Comment durcir le fer ?
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10 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
2. Les autres ajouts (suite)
Chrome (Cr)
• Augmente la résistance à la traction
• Augmente la dureté
• Augmente la résistance à l’usure
• Augmente la résistance à la corrosion
Manganèse (Mn)
• Même action que Ni mais rend plus fragile
Nickel-Chrome
• Améliore les caractéristiques mécaniques
Nickel-Chrome-Molybdène
• L’ajout de molybdène (Mo) permet de diminuer la fragilité de l’acier
Comment durcir le fer ?
Par ajout d’éléments en solution solide
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11 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Un acier est un alliage de fer et de carbone (+ autres élémentsmineurs) auquel on donne, par traitement mécanique outhermique, des propriétés variées (malléabilité, résistance....).
La limite de la teneur en carbone séparant l’acier de la fonteest de l’ordre de 2 %.
Définition
Les aciers
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12 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Données économiques
19 France 11,3 9,4 + 20%
Les aciers
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13 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Sites de production d’acier en France
Les aciers
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14 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Phase d’un alliage Fe-C :
−−−− αααα : ferrite basse T (cc) C ≤ 0,02 %−−−− δδδδ : ferrite haute T (cc) C ≤ 0,09 %
−−−− γγγγ : austénite (cfc) C ≤ 1,98 %
−−−− Fe3C (orthorhombique): cémentite C = 6,7 %
La ferrite basse T ( < 912°C, structure cc) etla ferrite haute T sont des solutions solidesde C dans le Fe αL’austénite est une solution solide de C dans
du Fe γ (structure cfc) . Le Fe γ est stableentre 912°C et 1394°C.
La perlite est un composant biphasécontenant de la ferrite et de la cémentite. Laperlite eutectoïde est un alliage à compositiondéfinie (88%masse de ferrite α et 12%masse de
cémentite) dont la T°de transformation est de727°C. Elle contient 0,77% de carbone.
Pour des aciers contenant peu de carbone (<1% en poids), il y a toujours formation decémentite, un composé chimiquement défini(Fe3C).
domaine d'équilibre péritectique
domaine d'équilibre eutectoïde
point péritectique
point eutectoïde
point eutectique
perlite
Diagramme d’équilibre Fer - Carbone
Importance du dosage en carbone
L+S
L
L+S
S
S
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15 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
(a) Microstructure typique d'un acier de construction(hypoeutectoïde) après refroidissement lent (~0,4 %C).Ses constituants sont la ferrite α (50 % masse) et la perlite (50 % masse).
La perlite est formée de lamelles alternées de ferrite
(solution solide de carbone dans du Fea) et de cémentite(composé chimiquement défini Fe3C)
(b) Microstructure typique d'un acier de même compositionque (a) mais obtenu après une trempe appropriée.
Lorsqu'on refroidit un acier dont la teneur en carbone est < 0,77 %, il se forme un mélange degrains de ferrite (C<0,02%) et de perlite (C=0,77%). La figure (a) représente la microstructuretypique d'un acier de construction. Par des traitements thermiques et des trempes appropriés,ce même acier peut présenter une microstructure différente (figure (b).
Carbone < 0,77 %
La martensite est une solution solide sursaturée de C
dans du Fer αLa martensite a une structure en aiguille.Elle est obtenue par un réchauffage à haute températured’un acier austénitique suivi d’un refroidissement rapideappelé trempe*.
Importance du dosage en carbone
*Lors d’un refroidissement « lent » on formera plutôt de la cémentite.
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16 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Le diagramme Fe-C présente une transformation eutectoïde entre les phases γ et(α + Fe3C) à une température de 727°C pour une concentration en carbone de
0,77% (formation de perlite).
Microstructure d'un acier eutectoïde(refroidi lentement)
couches claires = ferrite
couches sombres = cémentite
La perlite Fe-C est formée de ferrite α et de cémentite Fe3C .
Carbone = 0,77 % (perlite)
Importance du dosage en carbone
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17 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Carbone > 0,77 %
Lorsqu'on refroidit un acier dont la teneur en carbone est > 0,77 % C, il seforme d'abord de la cémentite. La germination de cette cémentites'effectue préférentiellement sur les joints de grains de l'austénite. Laperlite apparaît ensuite à la température de transformation eutectoïde(T=727 °C). En raison de la présence d'un réseau de carbures (Fe3C) auxjoints de grains, ces aciers sont généralement fragiles.
zone claire : austénite
zone grise foncée : cémentite
zone grise claire : perlite (= lamellesalternées de ferrite et de cémentite)
Importance du dosage en carbone
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18 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Performances mécaniques des aciers
Effet de la teneuren carbone et de
l’état structuralde l’acier
Importance du dosage en carbone
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19 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur19
Procédé d‘élaboration des aciers
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20 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Des matières premières à l’acier liquide, deux filières d’obtention :
• Préparation du minerai par agglomération
• Fabrication de la fonte dans un hautfourneau
• Elaboration de l'acier dans une aciérie
Filière Fonte Filière électrique
Procédé d‘élaboration des aciers
Stationd’affinage
Emploi de ferraille commematière première(emballages jetés,bâtiments, machines et
véhicules démontés…)
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21 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
La filière Fonte
Le coke est un combustible obtenu par distillation
(gazéification des composants indésirables) de la houilledans le four de la cokerie.
• Cokerie
Le coke est du carbone presque pur doté d’une structureporeuse et résistante à l’écrasement.En brûlant dans le haut fourneau, le coke apporte lachaleur nécessaire à la fusion du minerai et les gaznécessaires à sa réduction.
Usines d'agglomération
Procédé d‘élaboration des aciers
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22 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
• Fabrication de la fonte dans un haut-fourneau
La chaleur dégagée par la combustion fait fondre fer et gangue en une
masse liquide où la gangue, de densité moindre, flotte sur un mélange àbase de fer, appelé "fonte".
Les résidus formés par la gangue fondue (laitiers) sont exploités pard'autres industries : construction de routes, cimenterie,...
Minerai et coke solides sontenfournés par le haut. L'airchaud (1200 °C) insufflé à labase provoque lacombustion du coke(carbone presque pur).L'oxyde de carbone ainsiformé va "réduire" lesoxydes de fer, c'est-à-direleur prendre leur oxygène et,de ce fait, isoler le fer.
La filière Fonte
Procédé d‘élaboration des aciers
Coke
+Minerai
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23 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
• Convertisseur àl’oxygène
On récupère les résidus (laitier d'aciérie).
On obtient de l'acier liquide "sauvage", qui est versé dans une poche. Ilest appelé acier sauvage, car, à ce stade, il est encore imparfait.
On y convertit la fonte enacier.
La fonte en fusion estversée sur un lit deferraille.On brûle les éléments
indésirables (carbone etrésidus) contenus dansla fonte en insufflant del'oxygène pur.
La filière Fonte
Procédé d‘élaboration des aciers
Fonte
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24 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Fusion de la charge obtenue par
éclatement d'arcs électriques
entre électrodes dans un four
électrique
Procédé d‘élaboration des aciers
La filière électrique
Ferraille
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25 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Acierimparfait
Filièreélectrique
Filièrefonte
Affinage(décarburation) etadditionschimiques
Les opérations ontlieu dans un
récipient sous vide,l'acier étant mis enrotation entrepoche et récipientà l'aide d'un gazneutre (argon).
On insuffle de l'oxygène pouractiver la décarburation etréchauffer le métal.
Ce procédé permet une grandeprécision dans l'ajustement dela composition chimique del'acier ("mise à nuance").
Coulée
en lingot
Coulée
contunue
Station d’affinage
Procédé d‘élaboration des aciers
Deux modes decoulée
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26 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Coulée continue
L'acier liquide est coulé dans une lingotière en cuivre de section carrée, rectangulaire ou ronde (selon le demi-produit fabriqué).Le métal commence à former une peau solide dans la lingotière violemment refroidie à l'eau. Tiré vers le bas parun jeu de rouleaux, il achève de se solidifier.A la base de l'installation, on extrait une barre solide, carrée, rectangulaire ou ronde, qui est découpée entronçons de la longueur désirée.Les demi-produits sont réchauffés dans des fours, avant de passer à l'étape suivante (laminage).
Procédé d‘élaboration des aciers
Acierliquide
Four de réchauffage
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27 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Coulée en lingots
L’acier est coulé et solidifié dans des moules en fontes : les lingotières.
Une fois la solidification terminée, les lingots sont démoulés.
Après un réchauffage à 1200°C, ils sont écrasés dans un gros laminoir pour être
- Brames, ébauches de produits plats (slabbing) ,
- Blooms, futurs produits longs (blooming).
Procédé d‘élaboration des aciers
Four de réchauffage
Acierliquide
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28 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Des demi-produits aux produits sidérurgiques : laminage*
• Laminage des produits plats de la brame à la tôle:
La brame est réchauffée dans un four pour rendre le
métal plus malléable, donc plus facile à étirer et àmettre en forme. L'ébauche est ensuite amincie parécrasements progressifs entre les cylindres dulaminoir.
•Laminage des produits longs
Les blooms ou billettes issues de la coulée en lingots sonttransformés en poutrelles, profilés, rails, barres ou fils.
Certains produits plats subissent ensuite un amincissementcomplémentaire, effectuée par laminage à froid. Ils peuventégalement être revêtus pour protéger le métal contre l'oxydation.
Acier réchauffé
Procédé d‘élaboration des aciers
* Tous les produits ne sont pas mis en forme parlaminage : ils peuvent être forgés, moulés à partir
d'acier liquide ou encore fabriqués à l'aide depoudres d'alliages (métallurgie des poudres)
Le laminages'effectue àchaud
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29 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur29
En construction métallique, les produits sidérurgiques employés sont obtenues par laminage
à chaud. Leurs dimensions et caractéristiques sont normalisées et répertoriées sur catalogues.
Aciers bruts liquides
Demi-produits(blooms, billettes, brames)
Produits finis
Produits longsProduits plats
Les produits sidérurgiques
Les fils,
barres, ronds àbéton
Les rails
Les laminés
marchands
Les profilés
divers et
spéciaux
Les poutrelles
La famille des produits longs regroupe :
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30 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur30
Les produits longs
Les armatures pour béton armé (fils, barres, ronds) et profils creux
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31 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur31
Les produits longs
Les laminés marchands
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32 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur32
Les produits longs
Les profilés divers, produits dérivés et palplanches
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33 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur33
Les produits longs
Les profilés spéciaux
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34 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur34
Les poutrelles
Les produits longs
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35 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur35
Tôles, plaques…
Tôles et larges plats (laminés à chaud, ép. 3 à
20 mm);
Plaques (laminées à chaud, ép. 20 à 400 mm) :
Profils creux (soudure longitudinale),
Profilés « reconstitués par soudure » .
Tôles minces formées à froid (ép. ≤ 3 mm)
Tôles nervurées et profils « minces » (C, Z, ...)
La famille des produits plats regroupe :
Les produits plats
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36 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur36
Les principales utilisations finales des aciers d’usage général
Les produits sidérurgiques
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37 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Acier dans les fondationspoutrelles H, tubes acier remplis ou non de béton,de ronds lissés ou à haute adhérence, de treillissoudés, de palplanches : ces produits permettent derépondre à la nature très variable du terrain et auxsollicitations de charge.
Acier dans la structure principale• produits sidérurgiques : laminés, profilés de forme
en H, I, U, L... ; produits plats, tôles, larges plats,feuillards;
• produits de première transformation : profils creux,ronds, carrés, rectangulaires, hexagonaux,profilés pliés en tôle mince, profilés à froidproposant de nombreuses formes, poutrellesreconstituées soudées (PRS), poutrelles ajourées
ou pleines;• produits forgés ou moulés: d'utilisation moins
courante que les produits ci-dessus, ces piècesmassives apportent des réponses aux problèmesd'appuis, de nœuds de structure...
Les aciers dans la construction
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38 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Acier dans le second œuvre- planchers en bacs en acier
avantages : pose rapide, permet d'accéder auxétages en limitant les échafaudages et lesétayages), connexion des bacs à la structure
porteuse par soudure, goujons, ou cornières,bonne résistance au feu, permet de suspendrecanalisations, câblerie, sous-plafonds, cloisons...
- éléments de couverture
profilés à froid en acier galvanisé pré laqué ou
non, en acier inoxydable revêtu ou non d'unalliage étain-plomb
panneaux-sandwichs isolants composés d'uneâme en mousse isolante de haute densitéinjectée entre deux plaques en tôle d'acier
avantages : diversité des formes et desdimensions, qualité des revêtements, variété descouleurs, manutention et stockage faciles,nombre de joints de recouvrement réduit tout enassurant une bonne étanchéité ainsi qu'unebonne résistance aux intempéries
Les aciers dans la construction
P ié é é i h i d l’ i
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39 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Acier dans le second œuvre- bardage simple ou double avec isolant
en tôle d'acier galvanisée prélaquée ou enacier inoxydable, notamment pour lesfaçades industrielles, bâtiments de bureaux,
équipements sportifs, logementsavantages : préfabrication en usine depanneaux complets: ossature, habillage,isolation, ouvertures, étanchéité, mursrideaux associant légèreté, rigidité etétanchéité.
- équipements intérieurs
plafonds, sous-plafonds, cloisons,menuiseries, huisseries, fermetures, garde-corps, habillages des cages d'escalier,mobilier, décorations...
avantages : raccourcissement des délais,coûts économiques compétitifs, grâce enparticulier à la diminution du coût desprestations et des installations lourdes surchantier.
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
P iété é i t h i d l’ i
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40 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur40
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
P iété é i t h i d l’ i
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41 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur41
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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42 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur42
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
Caractéristiques mécaniques
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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43 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur43
Description de l’essai de traction sur une
éprouvette d’acier
La propriété mécanique la plus souvent mise en avant pour l'acier est sarésistance à la traction.
Propriétés mécaniques et physiques de l acier
Résistance à la traction
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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44 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Lorsque l'acier est soumis à un effort de traction, il passe par trois états successifs :
le domaine élastique, le domaine plastique et enfin la rupture.
Allongement en mm
F(N)
Zone dedéformationélastique
Zone de déformation plastique
Point de ruptureF
Fe Charge limite élastique
e
rF
Fr : Charge limite à la rupture
Propriétés mécaniques et physiques de l acier
Résultats de l’essai de traction
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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45 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur45
Propriétés mécaniques et physiques de l acier
Résistance à la compression
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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46 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur46
Propriétés mécaniques et physiques de l acier
Résistance au cisaillement
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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47 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur47
Propriétés mécaniques et physiques de l acier
Résistance à la fatigue
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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48 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur48
Propriétés mécaniques et physiques de l acier
Dureté et résistance aux chocs
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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49 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur49
p q p y q
Fluage
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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50 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur50
p q p y q
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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51 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur51
p q p y q
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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52 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur52
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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53 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur53
Propriétés mécaniques et physiques de l’acier
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Classification des aciers
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56 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
• Les aciers alliés sont ceuxpour lesquels la teneurminimale imposée de chaqueélément est égale ou
supérieure aux limites fixéespar la norme (tableau 1)
Aciers alliés pour appareils àpression
Aciers de constructionmécanique
Aciers à outils alliés
Aciers inoxydables (voirchapitre suivant )
• Par exemple : au minimum0,50 % de silicium, auminimum 0,08 % demolybdène, et au minimum10,5 % de chrome.
Classification des aciers
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57 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
• Aciers de base
aciers ne faisant l'objet d'aucune prescription nécessitant des précautionsspéciales durant la fabrication
• Aciers de qualité
aciers répondant à des prescriptions plus sévères que celles relatives auxaciers de base et demandant donc certaines précautions lors de lafabrication
• Aciers spéciaux
aciers présentant une plus grande pureté que les aciers de qualité etgénéralement destinés à subir un traitement thermique pour lequel ilsassurent une régularité de réponse; l'ajustement soigné de leur composition
et les conditions spéciales de leur élaboration leur confèrent des propriétésparticulières de mise en œuvre et d'emploi
Classification des aciers
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58 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Aciers de construction métallique
Aciers de base non alliés au Fe/C ou Fe/C/Mn (mélange ferrite-perlite)d'usage général. bonne soudabilité non destinés à subir des traitements thermiques mise en forme à température ambiante (pliage, bordage...)
domaine d'emploi est limité à l'intervalle - 60 à + 350°C.
Exemples d'aciers non alliés
Classification des aciers
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59 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Tableau - Armatures de béton armé.
Produit Nuance Norme AFNOR Observations
Rondslisses
Fe E 22Fe E 24
A 35-015 Aciers doux
Aciers écrouis à froid (torsadés)
Barres Aciers naturellement dursà haute J Fe E 40 A 35-016 Aciers à dispersoïdes
adhérence t Fe E 50 t A 35-017 Aciers obtenus par refroidissement contrôlé (procédéTorsid)
Armatures passives (béton armé)
Elle sont constituées d'aciers de base non alliés utilisés à l'état brut delaminage à chaud, parfois écrouis, ou après traitement thermique. Armatures actives (béton précontraint)
Elles sont réalisées en aciers spéciaux non alliés à teneur en carboneélevée parfois traités par trempe et revenu et le plus souvent écrouis et
vieillis pour permettre d'améliorer la résistance à la relaxation
Aciers pour armature du béton
Exemples d'aciers non alliés (suite)
L’inox – Quelques définitions
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L inox Quelques définitions
« inox » = tous les aciers inoxydables
Outre le fer et le carbone, la présence d’autres éléments d’alliages tels quele chrome, le molybdène, le nickel, le manganèse, etc., présentent laparticularité d’offrir une excellente résistance à la corrosion
4 familles d’aciers inoxydables (NF EN 10088 -1-2-3) :
– Les aciers inoxydables ferritiques (12 à 20% de chrome) et super-ferritiques (chrome > 20%),
de structure ferritique,
– Les aciers inoxydables austénitiques : Cr ≥ 17 % + Ni (nickel) ≥ 8 % + Mn (manganèse), destructure austénitique,
– Les aciers inoxydables martensitiques (12 à 18 % de chrome et 0,1 à 1 % de carbone), destructure martensitique,
– Les aciers inoxydables austéno-ferritiques
ou « duplex » : teneurs en chrome, nickel,molybdène et silicium équilibrée, structuremixte constituée d'austénite (30 à 50%)
et de ferrite (70 à 50%).
Conséquences de l’ajour d’éléments dans l’inox
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61 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
– nickel > 10 % facilité de déformation
– molybdène (quelques %) inox plus résistants en milieux agressifs chlorés
– niobium résistance au fluage
– chrome résistance à la corrosion
– titane résistance à certains types de corrosion (ex : assemblages soudés,
armatures pour le béton)
q j
Propriétés physiques et mécaniques de l’inox
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62 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Propriétés physiques et mécaniques de l inox
• Les inox austénitiques et austéno-ferritiques ont des coefficients de dilatationsupérieurs aux aciers.
• La conductivité thermique des inox austénitiques et austéno ferritiques est
inférieure à celle des inox ferritiques et des aciers.• La résistivité électrique des inox est nettement supérieure à celle des aciers.
Propriétés physiques et mécaniques de l’inox
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63 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Les inox austénitiques ne présentent pas de limiteapparente d’élasticité Re très nette.
Résistance à la corrosion de l’inox
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64 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Désignation normalisée des inox
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65 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Désignation symbolique
Désignation numériqueutilisée de façon simple : n° famille (1=acier) + n° groupe d’acier + n° d’ordre
• 40 : inox avec Ni < 2,5 % sans Mo, sans Nb, sans Ti
• 41 : inox avec Ni < 2,5 % avec Mo, sans Nb, sans Ti• 43 : inox avec Ni 2,5 % sans Mo, sans Nb, sans Ti• 44 : inox avec Ni 2,5 % avec Mo, sans Nb, sans Ti• 45 : inox avec additions particulières.• n° d’ordre : attribué par le comité européen de normalisation
Exemples d’ouvrages en inox
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66 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur
Les aciers de béton armée
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Raphaël Bodet
67
Béton Armée , on utilise:
barres,
fils redressés (bobine),
treillis soudés,
Caractéristiques mécaniques des aciers à béton
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68 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur68
La limite d'élasticité caractéristique f yk varie de 400 à 600 MPa .
Limite supérieure réelle d'élasticité f y,max
résistance en traction f t
La ductilité k= f t / f yk et. εuk . L’EC2 définit 3 classes :
classe A : ductilité normale (treillis soudés formés de fils tréfilés ou
laminés à froid)
classe B : haute ductilité (barres HA laminées à chaud)
classe C : très haute ductilité (aciers réservés à des usages spéciaux;
constructions parasismiques).
Module d’élasticité longitudinale (Module d’Young) Es = 200 000 MPa
Caractéristiques mécaniques des aciers à béton
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69 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur69
En France nous utilisons des aciers B500 (limite élastique fyk = 500 MPa)
pour les différentes classes de ductilité :
Diagramme contrainte / déformation
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70 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur70
a) Acier laminé à chaud b) Acier profilé à froid
Comme pour le béton, il faut distinguer le diagramme contrainte -
déformation réel du diagramme conventionnel de calcul à l'ELU qui
sera utilisé pour le dimensionnement des éléments de béton armé.
Diagramme contrainte / déformation de calcul
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71 Cours Matériaux de construction – Raphaël Bodet – Licence Sciences pour l’ingénieur71
On substitue aux diagrammes expérimentaux des diagrammes idéalisés choisisde manière à donner des approximations allant dans le sens de la sécurité.
Pour le calcul des sections, on peut utiliser l’un ou l’autre des deux
diagrammes idéalisés suivants :
Diagramme avec droite inclinée Diagramme avec palier de plasticité
γ s = 1,15 (ELU, cas général) γ s = 1 (ELU,a) γ s = 1,0 (ELS)
εud = 0,9 . εuk = 22,5 ‰
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