Les aciers 2015-16 Lic. Profes. Génie. Civ FSTSgeniecivil08.e-monsite.com/medias/files/les-aciers-2015... · 2016-12-27 · Licence professionnelle - Génie Civil et construction

Licence professionnelle - Génie Civil et construction – Pr. M. KADDAMI – FSTS Page 1/103

Université Hassan 1er Faculté des Sciences & Techniques

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Matériaux de construction

Les aciers

Licence Professionnelle:

Génie Civil et construction

Pr. Mohammed KADDAMI



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Sommaire : Chapitre I : Généralités I) Classification des matériaux II) Propriétés des métaux III) l’atome et la liaison chimique. IV) Relation Propriétés des métaux et liaison métalliques V) les différents états de la matière : VI) Diagramme d’état du Fer VI) Les ressources de fer VII) Les premiers usages de fer et de l’histoire : Chapitre II : Production de la fonte et de l’acier

I) Les bas fourneaux II) Evolution de l'architecture des fours III) Les hauts fourneaux

1) Les Principaux composants d’un haut fourneau 2) la cokerie 3) Les différentes zones d’un haut fourneau 4) Les mécanismes de transformation dans les Haut-Fournaux

IV) Production de l’acier 1) Diagramme : fer carbone 2) Les principales réactions du système Fe-C. 3) La microstructure des alliages Fer-carbone. 4) Conversion de la Fonte en Acier 5) Recyclage de l’acier 6) De l’acier liquide aux demi-produits 7) Des demi-produits aux produits finis

a) Transformation b) Les produits finis

Chapitre III : Classifications et Normes des aciers

I) Classement marchande : 1) Poutrelles : 2) aciers marchands pleins 3) Les tubes 4) feuillards ou tôles 5) fils en acier (fil de fer) et câble (de serrage, de traction) 6) Chaînes 7) rails.

II) Classement selon les propriétés mécaniques:



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1) Caractéristiques mécaniques des alliages

1-a) Essai de la traction

1-b) Essai de la résilience

1-c) Essai de la dureté

2) Classifications des Aciers selon leurs propriétés mécaniques

III) Classement selon la composition :

III-A) Désignation symbolique (NF EN 10027-1); a) Groupe 1 (NF EN 10027-1) b) Groupe 2 (NF EN 10027-1) b-1) Aciers non alliés spéciaux ou Acier au carbone b-2) Aciers faiblement alliés : b-3) Aciers fortement alliés : b-4) Aciers rapides : III-B) Désignation numérique (NF EN 10027-2) :

IV) Classement selon l’usage: 1) Aciers de construction 2) Acier pour traitement thermique (TT) : 3) Acier à outils. 4) Aciers rapides

Chapitre IV : Microstructure des ACIERS

1) Modification des propriétés des Aciers Par des éléments d’addition : 2) Modification des propriétés des Aciers par un traitement mécanique : 3) Modification des propriétés des Aciers par un traitement thermique :

3-a) Les traitements thermiques des aciers dans la masse 1) Les traitements thermiques des aciers dans la masse : Austénitisation 2) Les traitements thermiques des aciers dans la Trempe : 3) Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu 4) Les traitements thermiques des aciers dans la masse : recuits

3-b) Traitement de surface des Aciers I) Les trempes superficielles

1-a) Trempe à la flamme (au chalumeau) 1-b) Trempe avec chauffage par induction en moyenne ou haute fréquence

II) Les traitements thermochimiques 1) La carburation

1-a) La cémentation en caisse : (agent solide) 1-b) Les bains de cyanures fondus : (agent liquide) 1-c) Fours en atmosphères gazeux : (agent gaz)

2) La nitration 3) La carbonitruration



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Chapitre I : Généralités

I) Classification des matériaux

Il est possible de classer les matériaux en quatre familles principales. La distinction entre les familles des matériaux est basée principalement sur la nature des liaisons chimiques entre les atomes qui les constituent. Les métaux et leurs alliages : cette famille se décompose en deux classes, les métaux ferreux (fer, fontes, aciers, etc.) et les métaux non ferreux (aluminium, cuivre, magnésium, titane, etc.). Ils possèdent principalement des liaisons métalliques.

L’or Le cuivre Les polymères : cette famille se décompose en deux classes, les polymères naturels (caoutchouc, soie, bois, etc.) et les polymères synthétiques (thermoplastiques, thermodurcissables et élastomères). Ces matériaux possèdent des liaisons covalentes.

Les céramiques : cette famille se décompose en deux classes, les céramiques usuelles (porcelaine, verre, ciment, etc.) et les céramiques techniques (structurales et techniques, etc.). Les céramiques et les verres minéraux possèdent des liaisons ioniques ou covalentes.



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Les composites : cette famille est constituées de différents matériaux provenant des différentes classes citées précédemment. Les deux constituants de base d'un matériau composite sont la matrice (polymère, métallique, céramique) et le renfort (carbone, métal, verre, tissu, fil, etc.). II) Propriétés des métaux Grace à la nature de la liaison métallique les propriétés de ces matériaux sont : Brillants; Malléables (peuvent être modelés, façonnés, Qui peuvent s'aplatir et s'étendre en lames ou en feuilles) ;



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Ductiles (peuvent être étirés et allongés sans se rompre jusqu'à obtenir des fils très fins.);

Conduisent de la chaleur ; Conduisent de l’électricité . Pour comprendre la nature de la liaison métallique des matériaux métalliques il faut se s’adresser au monde infiniment petit : l’atome et la liaison chimique. III) l’atome et la liaison chimique.

L’atome : Un atome est la plus petite partie d'un corps simple que l'on ne peut diviser. *La taille de l’atome est de l’ordre :(1mm/10)/1 000 000 = 0,000 000 000 1 m =10-10m = 1A°(angström). *Le nombre d’atomes d'une tête d'épingle de 1 mm3 contient environ 80 000 000 000 atomes de fer. *Une goutte d'eau contient environ mille milliards de molécules d'eau qui elles-mêmes contiennent chacune 3 atomes. *L’atome est constitué d’un noyau autour duquel se distribuent des électrons.



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*Si le noyau atomique était représenté par une orange, un électron serait plus petit qu'une tête d'épingle et se déplacerait à environ 100 m de l'orange. *Le noyau de l’atome est constitué de protons, chargés positivement, et de neutrons, électriquement neutres *En 1913, Nils Bohr propose une nouvelle image de l’atome. Il avance 2 hypothèses : - Les électrons ne sont pas rangés n'importe comment dans l'atome. On les trouve sur des orbites (des niveaux d'énergie) un peu comme les planètes autour du soleil. -Les électrons “gravitent” sur des orbites qui correspondent à différents niveaux d’énergie discontinus (couches). On trouve au maximum 2n2 électrons par couche.

Les couches sont désignées par des lettres : K, L, M,N, ... du centre vers la périphérie de l’atome. K: n=1 2 électrons L: n=2 8 électrons M: n=3 18 électrons Chaque couche peut contenir différents orbitales qui sont : s ,p ,d et f La couche K: n=1 contient l’orbitale : 1s

La couche L: n=2 contient les orbitales : 2s et 2p

La couche M: n=3 contient les orbitales : 3s , 3p et 3d

Le tableau suivant donne la nature des orbitales dans chaque couche et le nombre d’électrons maximal que peut contenir chaque orbitale :



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On peut représenter les 18 premiers éléments dans un tableau comportant 8 colonnes et 3 lignes : c'est une partie du tableau périodique des éléments.

K n=1 1s

L n=2 2s2p

M n=3 3s3p3d (manque 10 électrons de l’orbitale « d » )



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Le remplissage des électrons dans les orbitales d’un atome suit la règle indiquée dans le schéma ci-dessous. Cette règle casse les orbitales suivant leurs énergies croissantes :

Le fer a pour Z=26 c’est dire comporte 2e électrons. Sa structure électronique est : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Quelles sont les structures électroniques de l’oxygène (O : Z=8) et l’argent (Ag : Z=47) ?

O : Z =8 1s2 2s2 2p4

Ag : Z=47 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d104p65s24d9



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Le tableau périodique des éléments chimiques est :

La liaison chimique : Quelles sont les règles à la base de la formation des liaisons ? Ces règles sont : Règle du duet: Un atome ou un ion est stable si la couche K correspond à la couche externe et comporte deux électrons. L'hélium (He, voir tableau périodique) possède une structure en duet car sa couche externe K est saturée avec 2 électrons. Au cours des réactions chimiques, les atomes dont le numéro atomique est proche de celui de l'helium (Z=2) cherchent à adopter sa structure en duet soit en perdant ou en gagnant des électrons (formation d'ions), soit en réalisant des liaisons covalentes (mise en commun d'électrons) avec d'autres atomes (formation de molécules).



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Règle de l'octet: Un atome ou un ion est stable si la couche L ou la couche M correspond à la couche externe et comporte huit électrons. Le néon, l'argon... (Ne et Ar…, voir tableau périodique)ont leur couche externe saturée avec 8 électrons. On dit qu'ils ont une structure en octet. Au cours des réactions chimiques, les atomes dont le numéro atomique est proche de celui de ces gaz rares, cherchent à adopter leur structure en octet soit en perdant ou en gagnant des électrons, soit en réalisant des liaisons avec d'autres atomes. L'essentiel Pour être stable un élément chimique (Z<18) doit céder, capter ou mettre commun des électrons afin d'adopter une structure en duet (couche externe K saturée) ou une structure en octet (couche externe L,M saturée). En général, et suivant la classe des matériaux on a cité trois types de liaisons chimiques de natures différentes: liaison covalente, liaison ionique et liaison métallique. Liaison covalente:



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Liaison ionique

Liaison métallique : *La liaison métallique est une sorte de liaison hyper-délocalisée : *chaque atome cède un ou plusieurs électrons à l'ensemble du cristal. *les électrons sont mis en commun entre plusieurs millions ou milliards d'atomes ! .En quelque sorte, on a un nuage électronique continu qui englobe tout le métal, un «gaz d'électrons». Ces électrons sont dis «électrons libres». N'étant pas lié à, un endroit du cristal, ces électrons peuvent se déplacer facilement



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IV) Propriétés des métaux et liaison métalliques Pourquoi les métaux sont-ils malléables ?

Si on frape un cristal ionique avec un marteau, il se brise car la force appliquée rapproche les ions qui se repoussent violement les uns des autres et brise le cristal

Si on frappe un métal avec un marteau il ne se casse pas, il se déforme. Les métaux sont susceptibles de se déformer en réponse à une force appliquée. La mer d’électron mobile protège les cations les uns des autres en empêchant une répulsion violente et permettant au métal de changer la forme.



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Pourquoi les métaux sont –ils ductiles? Le métal peut être étiré sous une longue forme, cylindrique car les cations peuvent s’aligner et se rapprochent en se protégeant les uns des autres par la mer des électrons qui circulent autour d’eux.



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V) les différents états de la matière :

La matière peut exister en général sous 3 états différents : solide, liquide et vapeur (ou gaz). L'état sous lequel se trouve la matière dépend de 2 paramètres : la température et la pression. Ci-dessous le diagramme d’état de l’eau :

Ainsi, à la pression atmosphérique normale, l'eau est solide (glace) en dessous de 0°C, est liquide entre 0°C et 100°C et est de la vapeur d'eau au dessus de 100°C. Remarque : on peut avoir ébullition de l’eau à 40°C si la pression atmosphérique baisse. A 0°C l'eau change d'état et passe de l'état solide à l'état liquide (ou l'inverse). A 100°C l'eau change à nouveau d'état et passe de l'état liquide à l'état gazeux (ou l'inverse). Quand la matière passe d'un état à un autre on dit tout simplement qu'il y a changement d'état.



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VI) Diagramme d’état du Fer

A la pression atmosphérique l’état solide du fer présente trois variétés allotropiques α, γ et

δ.

γ est appelée austénite et a pour structure CFC ;

α et δ sont appelées des ferrites et ont pour structure CC ;

La transition (α, γ) se fait à la température 912 °C ( P = 1atm) ;

La transition (γ,δ) se fait à la température 1394 °C ( P = 1atm);

La fusion de la variétés δ se fait à la température 1538 °C ( P = 1atm).



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Analyse thermique du fer

Fiche technique de l’atome de fer

Symbole Fe

Numéro atomique 26 avec les isotopes : 54 – 56 – 57 - 58

Masse molaire 55,845 g/mol

Masse volumique 7874 kg/m3

Point de fusion 1536 °C

Point d'ébullition 2861 °C

Résistivité électrique 9,7 . 108 Ω.m

Dureté (Mohs) 4



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VI) Les ressources de fer Le fer est relativement abondant dans l’Univers, car il constitue le cœur de certaines planètes (comme la Terre, Mars, Mercure ou Vénus). Il n’existe pratiquement pas à l’état libre, sauf dans le Soleil et dans plusieurs types d’étoiles. Le fer entre pour plus de 5 % dans la composition de l’écorce terrestre. Son abondance naturelle le place au quatrième rang dans l’ensemble des éléments constituant la croûte terrestre, après l’oxygène (50%), le silicium (26%) et l’aluminium (8%). Où trouve-t-on le fer dans la nature ? Le fer se trouve toujours dans la nature sous forme de composés chimiques (minerai de fer) ou sous forme d'alliages dans les météorites (Fer au nickel). Le Fer à l’état natif (non combiné) est très rare, on ne connaît que deux cas de fer natif : * gros blocs trouvés dans les basaltes à l'ouest du Groenland (% de Nickel tend vers zéro); * les météorites ou pierres tombées du ciel (mais en proportion très variable, environ 90% de Fer et vers 10% du nickel). 1) Les météorites Les météorites ce sont des alliages naturels par exemple : alliages de fer et de nickel.

Ci-dessous l'image du plus gros morceau de fer tombé du ciel : il s'agit de la météorite ferreuse Hoba en Namibie. Découverte en 1920 3m par 2,5m masse ± 55 tonnes 82% de fer 16% de nickel, cuivre, cobalt, chrome.



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2) Les minerais de fer Il existe à travers le monde un nombre important de roches contenant du minerai fer. Elles sont en général réparties en plusieurs catégories : les minerais oxydés, les carbonates, les minerais sulfurés et les silicates.

Minerai Répartition chimique

Couleur Caractéristiques

Minerais oxydés

Magnétite Fe3O4

72,36% fer 27,64 % oxygène

Gris foncé à noir

C'est une roche très magnétique. Elle a pris de plus en plus d'importance avec le développement des techniques de concentration magnétique et l'utilisation accrue de produits de haute qualité.



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Minerai Répartition chimique

Couleur Caractéristiques

Minerais oxydés

Hématite Fe2O3

69,94% fer 30,06% oxygène

Gris acier à rouge vif

L'hématite est l'un des principaux minerais de fer. Cette roche possède une dureté qui peut aller de 5,5 à 6,5 selon la famille à laquelle elle appartient. C'est la forme de roche la plus répandue à la surface de la terre et c'est également celle qui est le plus souvent employée dans l'industrie.

La grande majorité des minerais de fer du monde est constituée de ce qu'on appelle des fers rubanés. Ce minerai est constitué d'alternances de lits de silice (plus ou moins ferrugineuse) et d'hématite (Fe2O3).



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Minerai Répartition

chimique Couleur Caractéristiques

Minerais oxydés

Limonite (ou

Hématite

brune)

FeO(OH).nH2O

62,85% fer

27,01%

oxygène

10,14% eau

Jaune ou

marron,

parfois

noir

Les limonites sont également une

source importante de minerais à

travers le monde. Elles sont à la fois

oxyde et hydroxyde de fer. La

goëthite qui est une sorte de

limonite se rencontre souvent en

association avec de l'hématite.



Les carbonates

Sidérite

FeCO3

48,20% fer

37,99% CO2

13,81%

oxygène

Blanc à

gris vert,

elle peut

virer au

brun, en

présence

d'humidité

Les sidérites contiennent en général

une proportion assez variable de

calcium, magnésium ou manganèse.



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La sidérite est très riche en fer, très facile à fondre, et elle donne directement de l'acier. On la rencontre dans les terrains cristallins et dans les sédiments



Les sulfurés

pyrite

FeS2

46,55% fer

53,45%

soufre

Jaune

cuivré

Cette roche est souvent connue sous

le nom d'or des fous du fait de sa

grande ressemblance avec l'or. Elle

est la roche contenant du minerai de

fer la plus répandue. Comme

l'ilménite, elle n'est souvent pas

exploitée pour le fer qu'elle contient

mais pour sa teneur en soufre. Le fer

en est le sous-produit le plus

communément extrait.



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VII) Les premiers usages de fer et de l’histoire :

Dans l’âge Paléolithique les humains sont des chasseurs – cueilleurs. Les Hommes du Paléolithique ne connaissent ni l'agriculture, ni l'élevage. L’âge Néolithique appartient à l'époque de la pierre polie. *les sociétés néolithiques qui s'ouvrent de plus en plus à l'usage des métaux, le cuivre et l'or. * L'utilisation précoce du cuivre et de l'or s'explique par le fait qu'ils sont constitués d'une matière " ductile ", c'est-à-dire malléable, donc pouvant se prêter au travail d'outils en pierre par martelage à froid. À partir de production du cuivre, il sera possible de procéder à des alliages, notamment avec de l'étain (10 %) qui permettra d'obtenir du bronze. La production du bronze témoigne de relations d'échanges bien organisées et d'une complexité grandissante de la société. Bien que très répandu dans la nature, le fer n'est pas le premier métal utilisé à cause du degré élevé de sa fusion. Les outils et les armes de l'âge du fer seront nettement plus efficaces que ceux de bronze. C'est tout d'abord au Moyen-Orient que nous retrouvons les premières traces du Néolithique. Cette zone bénéficiait à l'époque de conditions climatiques clémentes (réchauffement) qui ont favorisé l'essor de nouvelles technologies, particulièrement dans l'agriculture. La métallurgie du fer est apparue au Proche-Orient à partir de 1500 ans avant JC avant de rayonner au-delà.



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Dans la plupart des pays, l’élaboration du fer remonte à la protohistoire. On a longtemps cru qu’un âge du bronze avait systématiquement précédé la découverte du fer. On sait désormais que, dans certaines régions, ce métal a été connu avant le bronze et même parfois avant le cuivre. Les premières traces d’objets en fer ont été trouvées à Sumer, capitale de la plus ancienne capitale babylonienne, au nord du golfe Persique, ainsi que dans des tombes égyptiennes datant du XVIIIe siècle avant notre ère (4000 ans avant JC).



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Chapitre II : Production de la fonte et des aciers :

I) Les bas fourneaux Le bas fourneau est un four à combustion interne qui a servi, au début de l'âge du fer, à transformer le minerai de fer (hématite, limonite, etc.) en fer métallique. Le bas fourneau se présente comme une cheminée de taille humaine (un ou deux mètres de haut) en briques et en terre cuite.



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Lorsque l'on met le feu, le charbon de bois produit du monoxyde de carbone (gaz CO) qui vient réduire le minerai : le fer est présent dans le minerai sous forme oxydée Fe3O4 ou Fe2O3, par réaction avec le CO, il se forme du fer : Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2 Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 Dans le bas du fourneau s'accumule un solide spongieux, composé de métal et de scorie, que l'on appelle « loupe » ou « massiau ». Le métal obtenu par ce procédé est très hétérogène. La loupe peut être composée de fer et d'acier contenant de 0,02 % à 2 % de carbone.

Scorie

La masse de fer (qu’on appelle « loupe ») est encore grossière, molle et spongieuse quand elle est extraite du bas foyer. Pour en extraire les impuretés (« les scories »), le forgeron doit retravailler et marteler manuellement cette masse de fer brut. Par martelage l’homme de l’âge de fer a pu fabriquer des outils pour l’agriculture :



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Caractéristiques des bas fourneaux

• Taille d’un homme • Fait de briques et terre cuite • Chargement du haut • Tirage naturel ou manuel • Le charbon de bois est à la fois combustible et réducteur . • Petite production • Production discontinue • Production de l’acier • Ne nécessite pas de refroidissement • Il faut démolir pour extraire la loupe et la scorie

II) Evolution de l'architecture des fours

Dans les tout premiers temps de la sidérurgie, le fer est produit dans un bas foyer : il s’agit d’un simple trou, creusé dans la terre et tapissé d’argile, qui atteint à peine un mètre de profondeur. À l’intérieur, le minerai de fer est entassé, par lits alternés, avec du combustible (charbon de bois). La chaleur produite (entre 1100 et 1200° C) élimine l’oxygène contenu dans le minerai et donne un fer peu chargé en carbone. Progressivement, le bas foyer recevra un parement de pierres réfractaires, puis un tronc en cône sera ajouté, émergeant à peine, avant de déborder nettement au-dessus du sol, dans un second temps. Au cours du XIVe siècle, le soufflage hydraulique de l’air dans les fours de réduction du minerai permet d’agrandir les dimensions du bas foyer.



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C’est en améliorant la ventilation, en utilisant de la force hydraulique (moulin à eau) pour mouvoir le soufflet. Cela permet d’utiliser une cheminée plus haute et d’atteindre une température plus importante, ce qui mène au haut fourneau. On découvre ainsi la fonte : cet alliage, issu de la réaction du minerai avec le gaz de combustion, fond vers 1200 °C.

L’évolution de la sidérurgie est sans doute l’un des faits essentiels de l’histoire des techniques au cours de la Renaissance. En ajustant les dimensions du bas foyer et donc en y enfournant plus de combustible, la température de combustion s’élève et le minerai de fer absorbe une quantité croissante de carbone. Ce fer carburé commence à fondre à une température plus basse, jusqu’au moment où le point de fusion est atteint : c’est désormais de la fonte liquide qui sort du foyer et non plus du fer de consistance pâteuse. Ce nouveau métal dur et cassant n’était pas malléable, et ne peut donc être forgé, et encore moins soudé au feu du fait de sa teneur en carbone. Seule une utilisation par moulage était possible. La fonte venait de naître (1350-1400). La fonte ne peut être mise au point que dans des fours de 3m50 à 4m50 de haut et équipés d’une soufflerie à énergie hydraulique, qu’on appelle désormais hauts-fourneaux. L’évolution de cette technique a conduit à des hauts fourneaux dont leurs dimensions varient entre 1 et 14 m. La production recherchée qui peut aller jusqu’à 9000 tonnes par jour pour les fourneaux les plus productifs. On compte à peu près 1500 hauts fourneaux dans le monde et 8 en France en 2013.



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III) Les hauts fourneaux Le haut-fourneau est un appareil de grandes dimensions, garni intérieurement d'un revêtement réfractaire, dans lequel le minerai est chauffé à des températures élevées. Le minerai de fer et de coke préparés sont chargés en couche alternatives par le haut dans le haut-fourneau. Le coke, ajouté apporte la chaleur nécessaire à la fusion du minerai et élimine l'oxygène contenu dans la matière en produisant des oxydes de carbone. Le fer pur libéré se combine au carbone du coke et produit de la fonte en se dégageant des autres constituants (impuretés). La fonte contient alors 96 % de fer, 3 à 4 % de carbone et 1 à 2 % d'autres éléments (phosphore, soufre, silicium, manganèse, etc.). La récupération de la fonte s'opère par coulée au bas du four. Les hauts fourneaux peuvent fonctionner en continu, c'est-à-dire que la fonte étant périodiquement coulée, alors que le bas fourneau doit être arrêté pour extraire la loupe qui s'y est formée.



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Les hauteurs des hauts fours varient entre 5 et 20 mètres et certains peuvent fournir plus de 10 000 tonnes de fonte par jour. Cette fonte est par la suite affinée par chauffage (c’est la décarburation de la fonte) ce qui permet de produire de l'acier et d’autres dérivés ferreux. 1) Les Principaux composants d’un haut fourneau

La figure ci-dessous décrit regroupe les principaux composants d’un haut fourneau : le four à air chaud, dispositifs pour le chargement de la matière première par le haut du fourneau, la soufflerie d’air chaud les portes d’accueil de la fonte liquide et de la scorie.

2) la cokerie la cokerie est une sine où on transforme la houille en coke La houille est une roche carbonée sédimentaire correspondant à une qualité spécifique de charbon. La figure ci-dessous donne une idée sur l’extraction de la houille

Four à air chaud

Coke

Minerai de Fer

Soufflerie d’air chaud

Fonte liquide

Scorie



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Le coke est obtenu par distillation de la houille dans une batterie de four à 1000°C. Au cours de la cuisson, qui peut durer entre 16 et 40 heures en fonction de la qualité recherchée, le mélange de houilles enfourné est transformé en coke par élimination des matières volatiles.

Houille Batterie de fours

Criblage de la coke

Trempe à l’eau



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Le coke ainsi obtenu est refroidi et criblé puis envoyé au haut fourneau.

Le traitement thermique de la houille conduit à la coke 3) Les différentes zones d’un haut fourneau



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4) Les mécanismes de transformation dans les Haut-Fournaux Le mélange coke + minerai de fer (sous forme essentiellement d’oxyde de fer(III) Fe2O3) est enfourné par le gueulard, en haut. Au cours de la descente, les températures rencontrées sont de plus en plus élevées, ce qui favorise certaines réactions chimiques. La plupart d’entre elles libèrent de la chaleur, à commencer par la combustion du coke avec le dioxygène de l’air à la base du haut fourneau. C + O2 ------> CO2 CO2 + C <====> 2 CO C’est le monoxyde de carbone CO qui va, en montant dans le haut fourneau, réduire les oxydes de fer qu’il rencontre. *Près du gueulard, vers 500 °C : 3 Fe2O3 + CO ------> CO2 + 2 Fe3O4 (le rapport O/Fe passe de 3/2 à 4/3 : c’est bien une réduction de l’oxyde Fe2O3). *Au milieu de la cuve, entre 600 et 900 °C : Fe3O4 + CO <=====> CO2 + 3 FeO *Enfin, vers 1000 °C : le monoxyde de carbone CO, qui a pris un atome d’oxygène à FeO, l’a réduit ; FeO, qui a cédé un atome O à CO, l’a oxydé. Signalons qu’à ces températures, le fer peut se combiner avec le carbone pour donner des cristaux de cémentite Fe3C dont le mélange avec le fer constitue la fonte recueillie à la sortie du creuset. Des traitements ultérieurs seront nécessaires pour la transformer en diverses qualités d’acier.



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Caractéristiques des haut-fourneaux

• Taille dépassant 16 mètres • Fabrication industrielle • Chargement du haut • Tirage en air comprimé très chaud • Le combustible et réducteur est le Coke. • Grande production • Production en continue • Production de la fonte en coulé • Refroidissement des parois par l’eau.



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IV) Production de l’acier Le liquide produit et récupéré en bas des hauts fourneaux prend le nom de La fonte. Ce liquide contient alors 96 % de fer, 3 à 4 % de carbone et 1 à 2 % d'autres éléments (phosphore, soufre, silicium, manganèse, etc.)

1) Diagramme : fer carbone Quelle est la différence entre Fer, Acier et Fonte? C’est le diagramme ci-dessous du système binaire: Fer- Carbone qui aide à préciser la différence entre l’Acier et la Fonte. Ce diagramme est construit en se basant sur deux axes : Température et Composition des mélanges en carbone. Tout mélange composé du fer et du carbone est représenté par un point sur l’axe des abscisses de ce diagramme. La température de tout mélange est indiquée par l’axe des ordonnées. Ce diagramme limite les domaines de stabilité des différentes phases obtenues à l’équilibre en fonction de la température et la composition en carbone.

Système binaire : Fer - Carbone



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2) Les principales réactions du système Fe-C.

Lors de refroidissement d’un liquide composé du fer et de carbone dont le pourcentage massique ne dépasse pas 6.78g% (composition de la phase cémentite), deux réactions se produisent et conduisant à des structures solides de propriétés différentes: *Réaction eutectoïde (1) : qui se produit à T= 727°C.

La réaction au refroidissement est : γ Fe3C + α (Perlite) La perlite est une structure formée à partir des aiguilles de cémentite (Fe3C) entre les quelles

se loge de la ferrite (Fer α)

Schéma dune perlite photo réelle d’une perlite agrandi 1000 fois



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*Réaction eutectique (2) : qui se produit à T= 1147°C.

La réaction au refroidissement est : γ Fe3C + γ (Lédéburite) La Lédéburite est une structure formée à partir des aiguilles de cémentite (Fe3C) et de

l’austénite (Fer γ)

La photo d’’une Lédéburite La formation de la lédéburite dans l’alliage Fer carbone apporte les propriétés de la dureté et de la fragilité (le matériau devient est dur mais cassant).

3) La microstructure des alliages Fer-carbone. La microstructure des alliages Fer-carbone dépend de la composition en carbone.

*Alliage dont la teneur de carbone est : 0.02 < g% en C <2.1 Pour les liquide de cette composition ne subissent pas, au cours de leur solidification la transformation eutectique et par conséquent il n’y a pas de formation de la structure lédébiritique au cours de leur refroidissement. Ils ne sont pas cassants.



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*Alliage dont la teneur de carbone est : 2.11 < g% en C <6.67

Au cours de leur solidification ces liquides subissent la transformation eutectique et passe par la formation de la structure lédébiritique. Il en résulte qu’ils sont cassants et dures

Ce qui distingue le fer, de la fonte et de l'acier est la teneur en carbone :

• Le fer est un métal pur. Il ne contient pas de carbone ; • L'acier a un taux de carbone qui se situe entre 0,15 et 2.1% ; • La fonte est riche en carbone. Son taux est de 2,5 à 6.7%.



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4) Conversion de la Fonte en Acier La conversion de la fonte en acier liquide est réalisée dans un convertisseur à oxygène. De l'oxygène est insufflé dans le bain de fonte liquide et permet d'éliminer par combustion des éléments indésirables. On élimine ainsi : - une partie du carbone - une partie du manganèse - la quasi totalité du phosphore - la quasi totalité du silicium . Grace à l’oxygène ces éléments se transforme en oxydes et se séparant plus facilement du mélange: *Les CO2 et CO s’échappent sous forme des gaz; *les oxydes des autres éléments forme la scorie de faible densité.et surnage le liquide.



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L’acier liquide est obtenu après la conversion de la fonte produit des hauts fourneaux

5) Recyclage de l’acier



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6) De l’acier liquide aux demi-produits Après l’obtention de l’acier de la filière fonte (traitement de la matière première dans les hauts fourneaux puis dans les convertisseurs) ou la filière ferraille des demis produits sont obtenus par deux types de coulées (continue ou discontinue) : Coulée en lingots( discontinue) : La coulée en lingots est la technique traditionnelle.

L'acier est coulé puis solidifié dans des lingotières qui sont des sortes de moules en fonte. Le poids des lingots peut varier de quelques centaines de kilos à plus de 100 tonnes dans le cas de grosses pièces de forge. Lorsque les lingots sont démoulés, ils sont réchauffés à 1200°C pour être écrasés dans un laminoir et transformés en demi-produits. Ce procédé nécessitant plusieurs manipulations est de moins en moins utilisé pour laisser la place à la coulée continue.Cette technique reste utilisée pour les fabrications spéciales : petites séries ou aciers spéciaux.

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 par un rouleau, il est achevé de se solidifier. A la base de l'installation, on extrait une barre solide, carrée, rectangulaire ou ronde, qui est découpée en tronçons de la longueur désirée. Les demi-produits sont réchauffés dans des fours avant de passer à l'étape suivante (laminage).



Settat

Les différents types de demi-produits sont : Le bloom : *C'est une barre d'acier de section carrée (exceptionnellement cylindrique ou rectangulaire) supérieure; *un carré de coté, longueur variable, supérieur 120 mm ( 120, 160; 310 mm à 600 mm en section cylindrique ) * Il destinée à être engagée dans des trains de laminoirs. pour obtenir des produits longs de section importante : poutrelles, rails, palplanches, … La billette : * Sa section est généralement carrée, parfois rectangulaire ou ronde, de dimension supérieure ou égale à 50 mm et inférieure ou égale à 120 mm. *Son laminage permet d'obtenir des produits longs métalliques de faibles section (fil métalliques, barres, profilés...). La brame:

• Un bloc d'acier de forme parallélépipédique et de fortes dimensions : d'environ 700 à 2 500 mm de largeur, de 5 à 15 m de long et de 150 à 350 mm d'épaisseur.

• Son laminage permet d'obtenir des tôles ou les plaques.

7) Des demi-produits aux produits finis

a) Transformation :



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Le laminage en fin de fabrication permet de donner des formes aux brames, blooms et billettes. Cela consiste à transformer les pièces de métal par une force à la fois mécanique et thermique de manière à ce que l'acier soit ramolli (entre 800 et 1200°C). Les demi-produits sont étirés et écrasés par phases successives. La pièce de métal est entraînée entre des cylindres qui tournent en sens inverse dont l'écartement est plus petit que l'épaisseur de la pièce initiale. L'opération est recommencée jusqu'à obtenir les formes définitives et les dimensions souhaitées. Après le laminage à chaud, certains produits, comme les tôles, peuvent être ensuite laminés à froid. Le laminage à froid permet de réduire encore l'épaisseur et d'obtenir une meilleure finition de surface des produits.

b) Les produits finis

On distingue deux familles à partir des quels seront extraits divers produits.

Les plats : Laminés des brames, les plats sont des plaques dont l'épaisseur est variable de 0,1 à 10 mm. L'application majeure dans le bâtiment est représentée par le bardage.

Ces produits sont disponibles en :

bobines de 60 à 200 cm de large et jusqu'à 3 mm d'épaisseur,

feuilles de largeur comprise entre 80 et 210 cm,

feuillards inférieur à 60 cm de largeur et de 0,3 à 15 mm d'épaisseur,

plaques de largeur comprise entre 15 et 125 cm avec une épaisseur supérieure à 30 en allant jusqu'à 170 mm.

Les longs : Laminés des blooms et billettes, les produits longs sont les rails, profilés de construction, barres et fils. Dans le bâtiment, les fils ont un diamètre de 5 à 46 mm, les barres une section ronde de 12,5 à 60 mm de diamètre ou carrée.



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Chapitre III : Classifications et Normes des aciers Il existe actuellement plus que 3 000 nuances d'aciers qui peuvent être classés en diverses catégories : - Classement marchande : Les sidérurgistes ont standardisé la production des aciers dans une classification commerciale de 8 groupes de formes: Poutrelles, aciers marchand plein, tubes, feuillards ou tôles, fils en acier (fil de fer) et câble (de serrage, de traction), chaînes et rails. - Classement selon les propriétés mécaniques : Il s'agit des d'aciers au carbone (non alliés ordinaires) à bas prix ; . Ils ont une basse teneur en carbone afin de favoriser leur soudabilité (éviter la formation de carbures) ; ils ne prennent donc pas la trempe et ont une limite élastique limitée (< 400 MPa). -Classement selon la composition : On distingue trois types d’aciers selon leurs compositions :

• Aciers au carbone non alliés (spéciaux) : ils ne contiennent pas d'élément d'alliage, à l'exception éventuellement de manganèse à moins de 1 % ; ce sont des aciers à bas prix ;

• aciers faiblement alliés : ils ont des teneurs modérées en éléments d'alliage, qui ont pour but d'améliorer l'usinabilité (aciers de décolletage par exemple) ou de faciliter le durcissement par trempe ;

• aciers fortement alliés : ils ont de fortes teneurs en éléments d'alliage ; ce sont essentiellement les aciers inoxydables (ou « inox ») et les aciers rapides spéciaux (ARS, high speed steels HSS).

- Classement selon l'usage : On définit un certain nombre de classes d’aciers suivant les domaines d’utilisation. -Acier de construction -Acier pour traitement thermique (TT) - Acier à outils

I) Classement marchande :

On distingue 8 groupes de formes: Poutrelles, aciers marchand plein, tubes, feuillards ou tôles, fils en acier (fil de fer) et câble (de serrage, de traction), chaînes et rails.



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1) Poutrelles :

Profilés en I

Profilés en H



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2) aciers marchands pleins

On distingue les aciers plats, carrés, ronds, demi-ronds, six plans, bruts ou étirés.



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3) Les tubes Les tubes désignés par leur diamètre extérieur et intérieur et par leur épaisseur qui varie de 2 jusqu’à 150 mm.



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4) feuillards ou tôles Les tôles d’acier sont classées selon leur :

Il existe plusieurs variétés de tôles



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5) fils en acier (fil de fer) et câble (de serrage, de traction)



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6) Chaînes

Il existe différents types de chaînes :



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7) rails.



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II) Classement selon les propriétés mécaniques:

Au début de la classification, les aciers ont d'abord été classés selon leurs propriétés

mécaniques

1) Caractéristiques mécaniques des alliages Pour connaître a priori le comportement d'un matériau donné sous l'effet de sollicitations standard, on procède à des essais afin de mesurer ses paramètres de comportement. 1-a) Essai de la traction

On exerce une force de traction sur un barreau de dimension standardisée, jusqu'à sa rupture, en suivant un processus de mise en charge à une vitesse de déformation constante. En enregistrant la force appliquée à l'éprouvette par la machine de traction et son allongement progressif on obtient un diagramme contrainte-déformation.

La contrainte est, pour une traction simple, la force qui agit sur une unité de surface du matériau. σ =F/S Elle se mesure en Pascal (Pa). La déformation pour une traction simple, est le rapport de l’allongement à la longueur initiale. ε = (L-Lo)/Lo L’allongement est sans unité.



Settat

Phase élastique : Soumise à une traction suivant sa section, une barre en acier s’allonge uniformément jusqu’à une certaine limite, appelée limite d’élasticité Re.

La limite d'élasticité Re correspond à la contrainte à partir de laquelle le matériau commence à se déformer plastiquement. En pratique cette limite est difficile à apprécier car le passage du domaine élastique au domaine plastique se fait de façon progressive. La difficulté de lecture donnerait des interprétations erronées de cette limite d’un laboratoire à l’autre. Pour s’en affranchir, il a été déterminé une limite conventionnelle d’élasticité à 0,2% (Re 0,2%). C’est la contrainte pour laquelle on mesure une déformation plastique de 0,2%.



Settat

Phase plastique : Au-delà de la limite d’élasticité Re, l’allongement de la barre augmente même si la charge évolue peu, puis passe par une phase de déformation plastique où une partie de l’allongement demeure permanent même si la charge diminue. Phase de rupture : Après une phase d’allongement, la charge diminue car la section d’acier diminue. Ce phénomène est appelé «striction». Il y a alors rupture de la barre, la déformation totale est appelée «allongement à la rupture».

Evolution de l’éprouvette au cours de ‘essai de traction



Settat

Comportements à la rupture en essai de traction:

(a) fragile, (b) ductile (c) complètement ductile.

Comportement de l’Acier face à l’augmentation de température Plus la température augmente plus les caractéristiques mécaniques et élastiques chutent d’une manière remarquable.



Settat

Les caractéristiques mécaniques définies par l’essai de traction

- la rigidité est fonction de l'énergie des liaisons entre les atomes ou les molécules constituant le matériau. On mesure la rigidité principalement par le module d’YOUNG. Plus ce module est élevé, plus le matériau est rigide.



Settat

- la résistance Rm caractérise la contrainte maximale qu’un matériau supporte avant de se rompre. - la ductilité correspond à la capacité d’un matériau à se déformer de façon permanente avant de se rompre. Plus l’allongement à la rupture est élevé (A%), plus le matériau est considéré comme ductile. A l’opposé, lorsque la déformation permanent est très réduite ou nulle, on parle d’un matériau fragile. Un matériau fragile peut présenter une résistance (Rm)très élevée. 1-b) Essai de la résilience

Essaie de la résilience

La résilience est exprimée en J/cm2

Un matériau est ductile si : *son allongement à la rupture est important « A% » est grande * l'énergie dépensée pour le casser est importante « Résilience (J/cm) » est grande. Inversement un matériau est fragile si : •son allongement à la rupture sont faible « A% » est faible; •l'énergie dépensée pour le casser est faible « Résilience (J/cm2) » est faible.



Settat

1-c) Essai de la dureté

La dureté: peut être définie comme une mesure de la résistance à la déformation plastique localisée. Les essais consistent à enfoncer un pénétrateur dans le matériau. La charge est constante pendant un temps donné et on mesure la dimension de l'empreinte. L'empreinte est d'autant plus grande que le métal est mou.

Il existe une grande variété d'essais de dureté possibles : Dureté Brinell (HB) ; Dureté Vickers (HV), qui a l’échelle la plus large ; Dureté Rockwell (HR), principalement aux États-Unis d'Amérique .



Settat

L'essai consiste à faire pénétrer enappliquant une force F un pénétrateurayant une forme de bille diamètre D,généralement du carbure poli, dans unmétal afin d'en déduire la dureté dumatériau.

Dureté Brinell

Teste pour mesure de la dureté alliages métalliques peu durs

Selon Vickers la mesure de dureté se fait avec unepointe pyramidale normalisée en diamant, de basecarrée et d'angle au sommet entre faces égal à136°.L'empreinte a donc la forme d'un carré ; puis onmesure les deux diagonales d1 et d2 de ce carré àl'aide d'un appareil optique.

Pour tester des matériaux trop durs pour le test BRINELL

Dureté VICKERS



Settat

L'essai consiste à appliquer une pré charge de x N sur le pénétrateurqui s'enfonce d'une profondeur e0.

Dureté Rockwell

x Nx N + Fx N

e0

e1

e2

On applique une forcesupplémentaire F, pendant 3 à 8 s, le cône ou la boulle s'enfonced'une profondeur e1. On supprime la force F, le cône resteenfoncé d'une profondeur e2 . La profondeur rémanente (e2 - e0 )

Le Rockwell C ou HRC a un pénétrateur en cône de diamant de120° et d'extrémité sphérique (Ø 0,2 mm).

Sa charge F est de 1400 N (150 kgf).

Dureté Rockwell

HRC = 500 (100 – (e2 – e0))

Le Rockwell B ou HRB a un pénétrateur en bille d'acier de1,59 mm de diamètre.

La charge F est de 900 N (100 kgf).

HRB = 500 (130 – (e2 – e0))

ROCKWELL conçoit un nouveau système avec différents pénétrateurs, adapté aux métaux et aux plastiques. Il permet de tester des matériaux doux et très durs.

En fonction du type du pénétrateur et de la valeur de la charge appliquée on détermine différents types de duretés ROCKWELL (échelle de A à H, de K à M, P, R, S, V)



Settat

2- Classifications des Aciers selon leurs propriétés mécaniques Au début de la classification, les aciers ont d'abord été classés selon leurs propriétés

mécaniques 1) selon leur ductilité : acier extra doux, doux, demi-doux, demi-dur I. Aciers extra-doux Rm < 40 kgf/mm² II. Aciers très-doux Rm ≥ 40 kgf/mm² mais < 50 kgf/mm² III. Aciers doux ordinaires Rm ≥ 50 kgf/mm² mais < 60 kgf/mm² IV. Aciers durs ordinaires Rm ≥ 60 kgf/mm² mais < 70 kgf/mm² V. Aciers très-durs Rm ≥ 70 kgf/mm² mais < 80 kgf/mm² VI. Aciers très-durs exceptionnels Rm ≥ 80 kgf/mm² 1N = kg*m/s2 1 Kgf : masse*g ≈ 10 kg*m/s2≈ 1N D’où 1N ≈ 0.1Kf et MPa = N/mm2 = 0.1*Kgf/mm2

2) selon leur résistance à la rupture, Rmax, exprimée en daN/mm2 (soit 107 Pa), sous la dénomination « A Rmax »

Par exemple: l'acier « A 33 » avait une résistance à la rupture de 33 daN/mm² soit 330 MPa. 3) leur limite élastique Re, sous la dénomination « E Re »

Par exemple, l'acier « E 24 » avait une limite élastique de 24 daN/mm², 240 MPa. Les équivalences entre les deux normes E et A :

Équivalences entre les normes « A » et « E »

Norme E Norme A

E 24 A 37

E 26 A 42

E 30 A 48

E 36 A 52

4) Relation entre les propriétés mécaniques des Aciers et leurs compositions en carbone



Settat

III) Classifications des Aciers selon la composition : Désignation normalisée des aciers

La norme NF A 02-005 a été remplacée par la norme NF EN 10027 en 20 nov.1992. la norme NF EN 10027 définit deux systèmes européens de désignation des aciers :

Matériaux

% de carbone

utilisation

- aciers extra-doux - aciers doux - aciers mi-durs - aciers durs - aciers Très-durs - aciers Très-durs excep

0,002% < C ≤ 0,022% 0,022% < C ≤ 0,30% 0,30% < C ≤ 0,60% 0,60% < C ≤ 0,75% 0,75% < C ≤ 1,06% 1,06% < C ≤ 2,14%

fils de fer, clou profilés, tôles, boulonneries rails, pièces forgées les aciers mécaniques outils, lames de scie outils, poinçons

- fontes

2,14% < C ≤ 6,76%

pièces coulées, culasses moteurs, bâtis des machines.



Settat

*une désignation symbolique (NF EN 10027-1); *une désignation numérique (NF EN 10027-2). III-A) Désignation symbolique (NF EN 10027-1);

La norme ( NF EN 10027-1) a retenu deux groupes de désignation : *groupe 1: Les aciers désignés à partir de leurs caractéristiques mécaniques et physiques (aciers pour façonnage ultérieur) ou les aciers désignés à partir de leur emploi (fils, tôles, aciers revêtus, ...) *groupe 2: Les aciers désignés à partir de leur composition chimique.

Désignation normalisée des aciers

(NF EN 10027-1

groupe 1: Les aciers désignés à partir de leurs caractéristiques mécaniques et physiques

groupe 2: Les aciers désignés à partir de leur composition chimique.

les aciers non-alliés d’usage général

Aciers non alliés spéciaux ou Acier au carbone

Aciers faiblement alliés

Aciers fortement alliés

Aciers rapides

a) Groupe 1 (NF EN 10027-1) Aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques mécaniques et physiques Ce sont les aciers non-alliés d’usage général



Settat

Désignation symbolique : Une première lettre indique leur usage (les plus courants sont S et E) :

B : fers à béton ; D : produits plats pour formage à froid (autres que H) ; E : pour construction mécanique ; H : produits plats pour formage (tôles laminées à plier, à emboutir) ; M : aciers magnétiques ; P : pour appareil de pression ; S : pour construction (structure) ; T : aciers pour emballage (fer blanc, fer noir, fer chromé) ; Y : pour béton précontraint. Suivie de la limite élastique en méga pascals

exp. S235 est un acier non-allié pour construction (structure) de limite élastique 235 MPa D'autres symboles peuvent compléter la désignation selon les particularités



Settat

Des groupes de symboles additionnels peuvent être ajoutés pour donner plus de précision :



Settat

D’autres symboles précédés d’un signe + (plus) peuvent être ajoutés :



Settat



Settat

S 235 J R G2 W +Z15 +JC +S

Limite d’élasticité en MPa

énergie de rupture garantie J : 27 j / cm²K : 40 j / cm²L : 50 j / cm²

à une température deR : 20 °C - 0 : 0 °C2 : -20 °C - 3 : -30 °C4 : -40 °C - 6 : - 60 °C

Symboles additionnelsM : ThermomécaniqueN : Laminé normaliséQ : Trompé et revenuG1 : Non calméG2 : CalméG3 : Recuit de normalisationG4 : État de livraison libre

Symboles indiquant autre revêtementA : Recuit d’adoucissementC : Écroui à froidCR : Laminé à chaud, écroui à froidS : Traitement pour le cisaillage à froid

Symboles indiquant le type de revêtementA : Revêtement d’aluminium par immersion à chaudCU : Revêtement de cuivreJC: Revêtement inorganiqueOC: Revêtement organiqueZ : GalvanisationZE : Revêtement électronique de zincZN : Revêtement électronique d’alliages zinc/nickel

Symboles indiquant des exigences spécialesC : Gros grainsF : Grains finsH : TrempabilitéZ15 : Propriétés garanties dans le sens de l’épaisseur (striction minimale 15%)Z25 : Propriétés garanties dans le sens de l’épaisseur (striction minimale 25%)Z35 : Propriétés garanties dans le sens de l’épaisseur (striction minimale 35%)

Autres Symboles additionnelsC : Formage à froid spécial - D : GalvanisationE : Émaillage - F : ForgeageL : Basse température - M : Formage thermomécaniqueN : Laminage normalisant - O : offshoreP : Palplanches - Q : Trompé et revenuS : Construction navale - T : TubesW : Résistant à la corrosion atmosphérique

B : fers à béton ;D : produits plats pour formage à froid (autres que H) E : pour construction mécanique ;H : produits plats pour formage (tôles laminées à plier, à emboutir) ;M : aciers magnétiques ;P : pour appareil de pression ;R : sous forme de rails ;S : pour construction (structure) ;T : aciers pour emballage (fer blanc, fer noir, fer chromé) Y : pour béton précontraint.

Récapitulatif



Settat

b) Groupe 2 (NF EN 10027-1) Les aciers de ce groupe désignés à partir de leur composition chimique. Ce groupe se compose de trois sous groupes : -les aciers non-alliés à usage spécial : Ils sont malléables, soudables, forgeable, … -les aciers faiblement alliés : Ils sont utilisés pour trempe et revenu , pour les outils, les ressorts, les roulements, le blindage… -les aciers fortement alliés : Ils comprennent les aciers inoxydables, les aciers rapides, pour les outils à forte vitesse de coupe comme les forets.

b-1) Aciers non alliés spéciaux ou Acier au carbone Appelé aussi Acier au carbone ou acier à haute teneur en carbone, sa désignation commence par un C, suivi de l'indicateur de la teneur en carbone (il faut le diviser par 100 pour en déduire le taux du carbone). avec une teneur moyenne en masse en manganèse <

1 %

Par exemple, le C35 est un acier non allié avec 35/100 ≈ 0,35 % de carbone. Puis nous ajoutons une des lettres suivantes donnant plus de précision. • la lettre C pour spécifier l’aptitude au formage à froid ; • la lettre D pour spécifier l’aptitude au tréfilage ; • la lettre E pour spécifier une teneur maximale en soufre ; • la lettre S pour spécifier une fabrication pour ressorts ; • la lettre U pour spécifier une fabrication pour outils ; • la lettre W pour spécifier une fabrication de fils électrodes. Ces aciers sont caractérisés par leur dureté après traitement thermique. Ils offrent de hautes valeurs de résistance, y compris la résistance à la fatigue. Ce type d’acier est laminé à froid et/ou traité thermiquement (trempe et/ou recuit), en fonction de l’application à laquelle il est destiné. Ils sont utilisés pour la fabrication de composants mécaniques, tels que les embrayages, les ressorts, les lames de scie, les mètres à ruban, arbres de transmission, matrices (moules)…etc. donc ils sont destinés à la fabrication de pièces fortement sollicitées.



Settat

C (%)

Mn (%)

P (%)

S (%)

Si (%)

Al (%)

Cr (%) Ni (%) Mo (%)

C35E 0,320 - 0,370 0,60 - 0,80 < 0,030 < 0,005 0,15 - 0,37 0,010 - 0,035 0,25 - 0,35 < 0,10 < 0,10

C40E 0,380 - 0,420 0,60 - 0,80 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,25 0,010 - 0,035 0,20 - 0,35 < 0,10 < 0,10

C45E 0,430 - 0,480 0,60 - 0,80 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,25 0,010 - 0,035 0,20 - 0,35 < 0,10 < 0,10

C45E Bas Cr 0,420 - 0,470 0,60 - 0,75 < 0,025 < 0,010 0,15 - 0,35 0,010 - 0,030 < 0,15 < 0,10 < 0,10

C50E 0,480 - 0,520 0,60 - 0,80 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,25 0,010 - 0,035 0,20 - 0,35 < 0,10 < 0,10

C55E 0,530 - 0,580 0,60 - 0,90 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,35 0,010 - 0,030 < 0,40 < 0,10 < 0,10

C60E 0,590 - 0,650 0,60 - 0,75 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,25 0,010 - 0,035 0,20 - 0,35 < 0,10 < 0,10

C60E Bas Cr 0,570 - 0,650 0,60 - 0,75 < 0,025 < 0,010 0,15 - 0,35 0,010 - 0,030 < 0,06 < 0,10 < 0,10

C67S 0,650 - 0,720 0,60 - 0,75 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,25 0,010 - 0,030 0,20 - 0,30 < 0,10 < 0,10

C67S Bas Cr 0,650 - 0,730 0,60 - 0,75 < 0,025 < 0,010 0,15 - 0,35 < 0,010 < 0,11 < 0,10 < 0,10

C75S 0,730 - 0,800 0,60 - 0,75 < 0,025 < 0,005 0,15 - 0,25 < 0,010 0,20 - 0,30 < 0,10 < 0,10

C100S 0,980 - 1,050 0,40 - 0,50 < 0,025 < 0,005 0,20 - 0,30 < 0,010 0,20 - 0,25 < 0,10 < 0,10

Équivalence de certain acier à forte teneur de carbone selon la norme EN 10083-1

Désignation symbolique

Désignation numérique

France Allemagne Italie GB Espagne USA Japon

EN 10083-1 NF A 35-552 DIN 17200 UNI7846 BS 970

UNE 36011 SAEJ403-AISI

JIS 4051

C22E 1.1151 (XC 18) CK22 C20 070M20 - 1020 S17C

C25E 1.1158 XC25 CK25 C25 070M26 C25K 1025 S25C

C30E 1.1178 XC32 CK30 C30 070M30 - 1030 S30C

C35E 1.1181 XC38 CK35 C35 070M36 C35K 1035 S35C

C40E 1.1186 XC42 CK40 C40 070M40 - 1038-1040 S40C

C45E 1.1191 XC48 CK45 C45 070M46 C45K 1042-1045 S45C

C50E 1.1206 XC50 CK50 - 070M50 - 1049-1050 S50C

C55E 1.1203 XC55 CK55 C55 070M55 C55K 1055 S55C

C60E 1.1221 XC60 CK60 - 070M60 - 1060 S58C



Settat

C 35 E

Récapitulatif

L’élément chimique le Carbone

La structure de la désignation indique que c’est un acier non allié à usage spécial

Indicateur du taux de carbone

35/100 ≈ 0,35 % de carbone.

C pour spécifier l’aptitude au formage à froid ;D pour spécifier l’aptitude au tréfilage ;E pour spécifier une teneur maximale en soufre ;S pour spécifier une fabrication pour ressorts ;U pour spécifier une fabrication pour outils ;W pour spécifier une fabrication de fils électrodes.

Comparaison entre: Anciennes désignations et la (NF EN 10027-1) Dans l’ancienne désignation NF A 35-552 la lettre C a été remplacée par CC ou XC

b-2) Aciers faiblement alliés :

Dans ces aciers, la teneur maximale de chaque élément allié ne dépasse pas 5%. Ils sont désignés par :

• un nombre égal à cent fois la teneur moyenne (%) en carbone ; • une série des éléments (selon les symboles chimiques standards), correspondant aux

éléments alliés rangés par ordre de teneurs décroissantes ; • un (ou deux) nombres indiquant la teneur du ( ou des deux) éléments principaux en

multipliant la teneur en % par un coefficient (voir tableau ci-dessous);

Remarque : Les nombres obtenus par multiplication sont arrondis à l’entier le plus proche.



Settat

Pour connaitre la teneur de chaque élément il faut diviser le facteur d'alliage par son

coefficient d'alliage correspondant, voir le tableau ci-dessous.

Élément d’addition coefficient

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4

Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr 10

Ce, N, P, S 100

B 1 000

Exp: le 17NiCrMo6-4 Cet alliage se compose de : 17/100=0,17% de Carbone, 6/4=1.5% de Nickel, 4/4=1 % de Chrome Molybdène en trace. Comparaison entre: Ancienne désignation et la (NF EN 10027-1)

Dans l’ancienne désignation les symboles chimiques ont été remplacés par des symboles métallurgiques normalisés suivant ce tableau.



Settat

Exemple de comparaison: Ancienne désignation : le 17NCD 6-4 se compose de : 17/100=0,17% de Carbone, 6/4=1.5% de Nickel, 4/4=1 % de Chrome Molybdène en trace. Nouvelle désignation: le 17NiCrMo6-4 se compose de : 17/100=0,17% de Carbone, 6/4=1.5% de Nickel, 4/4=1 % de Chrome Molybdène en trace. b-3) Aciers fortement alliés :

Dans ces aciers, un au moins des éléments alliés présente une teneur supérieur à 5%. Ils sont désignés par :

• la lettre X ; • un nombre égal à cent fois la teneur moyenne (%) en carbone ; • une série des éléments (selon les symboles chimiques standards), correspondant aux

éléments alliés rangés par ordre de teneurs décroissantes ; • les teneurs en % d’une partie des éléments rangés dans le même ordre et sans

coefficient multiplicateur. Ex : le X 2 CrNiMo 17-13-2 se compose de :

• 0,02% de carbone, • 17% de Chrome, 13% de Nickel, 2% de Molybdène

Comparaison entre: Ancienne désignation et la (NF EN 10027-1)

Dans l’ancienne désignation la lettre X a été remplacée par Z et les symboles

chimiques ont été remplacés par des symboles métallurgiques suivant le tableau ci- dessous : Exemple de comparaison: Ancienne désignation : le Z 2CND 17-13-2 se compose de : 2/100=0,02% de Carbone, 17% de Chrome, 13 % de Nickel, 2% de Molybdène. Nouvelle désignation: X 2CrNiMo 17-13-2 se compose de : 2/100=0,02% de Carbone, 17% de Chrome, 13 % de Nickel, 2% de Molybdène



Settat

b-4) Aciers rapides :

On commence par HS (high speed), puis suit les teneurs en %m en tungstène, molybdène, vanadium et cobalt ; Exp. le HS2-9-1-8 contient environ :

2 %m de tungstène, 9 %m de molybdène, 1 %m de vanadium 8 %m de cobalt.

III-B) Désignation numérique (NF EN 10027-2) :

La désignation numérique d’un acier permet d’attribuer à chaque nuance d’acier un numéro caractéristique composé de cinq à sept chiffres.

Le premier chiffre indique le numéro correspondant aux matériaux. Les aciers sont

indiqués par le numéro 1 voir le tableau ci-dessous.



Settat

Juste après, le numéro de groupe d’acier est constitué de deux chiffres dont le premier fait référence à divers types d’aciers qui sont détaillés dans le tableau ci-dessous .tandis que le deuxième correspond à différents sous-types de nuances propres à chaque type ; la signification de ce deuxième chiffre est explicitée, pour chaque type d’acier, dans les tableaux qui suivent.



Settat

désignation numérique (NF EN 10027-2).



Settat

désignation numérique (NF EN 10027-2).

La structure des numéros d’aciers est la suivante :

La désignation numérique de l’acier inoxydable X2CrNi19-11 défini précédemment est : 1.4306



Settat

IV) Classement selon l’usage:

On définit un certain nombre de classes d’aciers suivant les domaines d’utilisation.

• Acier de construction ;

• Acier pour traitement thermique (TT) ;

• Acier à outils. 1) Aciers de construction - Ne sont pas destinés aux traitements thermiques - Utilisés dans la construction classique, les ossatures, les pylônes, les engins de levage,… - Ce sont en général des aciers contenant :

-Teneurs modérées en C (<0,3%) -Du Manganèse (Mn) -Un peu de Si (<0,5%) -Et/ou de l’Al (<0,1%).

- Doivent répondre particulièrement à 2 exigences :

- Bonne ductilité - Bonne soudabilité

Exemples : C11, C18, 14Mn4, 22Mn5

2) Acier pour traitement thermique (TT) : - Utilisés pour toutes les pièces sollicitées mécaniquement (travaillant à T ambiante). - Amélioration des propriétés assurée par les traitements thermiques. - Ce sont en général des aciers au Carbone (XC08 à XC90) et aciers faiblement alliés. :



Settat

Exemples : Acier au manganèse Domaine d’application est: Chaudronnerie soudée, ressorts……. Acier au silicium Le silicium intervient comme anti oxydant. Domaine d’application est: Engrenage, vilebrequin, arbres de transmission, barres de torsion

vilebrequin barres de torsion Engrenage

Acier au chrome Le chrome est un durcissant et permet la résistance à l’usure et à la corrosion Domaine d’application est: Bielle, essieux, attelage

Bielle Bielle Attelage



Settat

Acier au Cr-Mo le molybdène est un durcissant et améliore la résistance à chaud Domaine d’application est: Arbres de roues, de turbine, engrenage, canon de fusils

Arbre de turbine Canon de fusils Arbres de roues

Acier au Cr-Ni-Mo Le nickel améliore la ténacité à froid Domaine d’application est: Marteaux pilons, blocs à matrice

une matrice Marteaux pilons



Settat

Acier au Ni-Cr-Mo Domaine d’application est: Tuyauteries vapeur, gros engrenage

3) Acier à outils. Propriétés demandées *Dureté : - pour résister aux déformations de la surface lors du travail - dureté conservée à haute température (T~600°C) *Résistance à l’usure : résistance à l’effet de rayure et au micro-arrachement de particules lors du frottement contre une autre surface *Ténacité : résistance à des chocs fréquents



Settat

*Tenue à chaud : - bonne propriétés mécanique - bonne résistance au fluage - bonne résistance l’oxydation *Résistance aux chocs thermiques Les différentes calsses des aciers à outils Les aciers à outils sont classés, selon leur mode de travail, en quatre catégories : *les aciers à outils non alliés pour travail à froid *les aciers à outils alliés pour travail à froid *les aciers à outils pour travail à chaud *les aciers à coupe rapide

a) Aciers à outils non alliés pour travail à froid -Aciers au C (comprise entre 0.45 à 1.2 g%) contenant du Mn et du Si.. - Faciles à usiner. -Utilisation en petite mécanique (outillage à main ou agricole, coutellerie). Ex : C45U (U pour indiquer acier à outil)

b) Aciers à outils alliés pour travail à froid

• Contiennent des éléments d’alliage tels que Mo, V, Mn, Cr, W ;

• % en C est élevé supérieur à 0,6 et peut atteindre 2%

• Meilleure trempabilité par rapport aux aciers non alliés

• Plus grande résistance à l’usure (présence de carbures alliés plus durs que Fe3C).

• Traitements thermiques faciles



Settat

• Les dureté élevés (entre 56 et 63 HRc) à température ambiante. Remarque : Dans cette classe il figure des aciers faiblement alliés et fortement alliés - Résistance à l’usure : 100Cr2, 130Cr3,… -Très résistance à l’usure : Z200Cr12, Z200CrMo12, Z200CrMoV5 - Résistants aux chocs:46Si7, 45SiCrMo6, 35NiCr15, 42CrMo4.

Utilisation : outils de coupe de faibles ou moyennes dimensions sans échauffements ni chocs notables (forets, alésoirs, lame de cisaille…)

ForetsForets

AlésoirsLame de cisaille

Lame de cisaille

Aciers à outils alliés pour travail à froid

c) Aciers à outil pour travailler à chaud

Ils doivent travailler à des températures très variables, allant de 200°C (outillage de

forge ou de cisaillage) jusqu’à 600 ou 700°C (outillage de presse, de filage, moulage à chaud). Ces aciers risquent :

- Rupture mécanique en service ; - Déformation par fluage à chaud.



Settat

Moulage à chaud Outillage de presse

4) Aciers rapides



Settat

Chapitre IV : Microstructure des ACIERS

Les propriétés mécaniques des aciers dépendent de leurs microstructures qui varient en fonction de : *La composition chimique : Par ajout d’autres éléments chimiques lors de son élaboration. * Les t raitements thermomécaniques (appliqué pendant le processus de fabrication) On distingue deux types de traitement :

traitement thermique, sous la forme d’un cycle chauffage-refroidissement (trempe, revenu…) ;

traitement mécanique, une déformation provoquant de l’écrouissage (laminage, forgeage, tréfilage…)

*Les traitements de surface interviennent également dans ses propriétés

1) Modification des propriétés des Aciers Par des éléments d’addition :

Ces aciers se différencient entre eux par la teneur en carbone et aussi par l’addition d’autres éléments d’alliage exemple : Chrome, Nikel, Molybdène, Vanadium …

*L’acier inoxydable est un alliage de Carbone (≤ 1,2 %) + Chrome (> 10,5 %) + parfois d’autres éléments (Ni, Ti, Mn, Mo, Nb) *L’acier rapide est un alliage de Tungstène, Molybdène, Vanadium, Cobalt,

*L’acier à outil est un alliage de Tungstène, Nickel, Molybdène, Manganèse, Chrome



Settat

EFFETS DES ÉLÉMENTS MÉTALLIQUES AJOUTÉS À L’ACIER

Éléments Symbole chimique

Effets lorsqu’allié avec de l’Acier Exemples d’utilisations

Aluminium Al Décapant pour éliminer les impuretés et améliorer la grosseur du grain; limite le grossissement du grain.

Fabrication des aciers

Carbone C Augmente la dureté. Aciers moulés à basse, moyenne ou haute teneur en carbone et aciers de construction.

Chrome Cr Augmente la dureté et améliore la résistance à l'usure sans fragilité augmente la ténacité et la résistance à la corrosion.

Aciers inoxydables, outils, turbines aciers de construction pièces de machines, récipients sous pression.

Cobalt Co Maintient la dureté du métal porté au rouge.

Fabrication de fourneaux, outils de coupe.

Cuivre Cu Augmente la résistance à la corrosion atmosphérique

Profilés.

Manganèse Mn Affine la structure; augmente la ténacité et la ductilité.

Rails, essieux, barillets d'armes à feu.

Molybdène Mo Durcit et augmente la ténacité des aciers.

Récipients sous pression, moulage pour applications sous pression, pièces de machines, outils.

Nickel Ni Résiste aux effets de la chaleur et à la corrosion; améliore la résistance à la traction.

Turbines forgeage industriel pour charpentes à haute résistance, aciers inoxydables, récipients sous pression, résistance à la corrosion.

Silicium Si Utilisé pour améliorer la résistance à la traction; agit comme désoxydant en général.

Moulage de précision aciers à aimants et pour équipement électrique. Utilisé dans les fils de soudage

Soufre S Améliore l'usinabilité. Indésirable en soudage car provoque des fissurations

Pièces usinées.

Tungstène W Augmente la ténacité, la dureté ainsi que la résistance à l'usure à des températures élevées.

Aciers pour outils à coupe rapide, aimants.

Vanadium V Donne de la ténacité et de la résistance à la traction résiste à l'adoucissement lors de la trempe.

Revêtement de l'acier (galvanisation).

Zinc Zn Résiste à la corrosion. Fabrication des aciers, outils, pièces de machines. En surface, acier galvanisé.



Settat

2) Modification des propriétés des Aciers par un traitement mécanique : L'écrouissage d'un métal est le durcissement d'un métal sous l'effet de sa déformation plastique permanente (définitive); cette modification par compression atteint la structure interne du métal et a généralement une influence sur ses propriétés mécaniques

L'écrouissage se caractérise par une augmentation de la limite d'élasticité et de la dureté.

3) Modification des propriétés des Aciers par un traitement thermique : Les propriétés des aciers sont liées à leurs microstructures Les traitements thermiques servent à faire évoluer la microstructure en fonction des besoins d’utilisation de l’acier. Il existe trois types de traitements thermiques : * Traitements dans la masse :

- trempes - revenus

* Traitements de surface * Recuits (adoucissement et régénération) 3-a) Les traitements thermiques des aciers dans la masse

1) Les traitements thermiques des aciers dans la masse : Austénitisation (la

transformation de l’acier en ferγ)



Settat

L’austénitisation comporte deux étapes :

- Un chauffage jusqu’à la température dite température d’austénitisation ; - Un maintien à cette température.

2) Les traitements thermiques des aciers dans la trempe : La trempabilité de l’acier caractérise les possibilités de réalisation de la structure

martensitique, sans précipitation de la perlite, de la cémentite et de la ferrite. La trempabilité est caractérisée à l’aide des diagrammes de transformation en

refroidissement continu (diagramme TRC Voir schéma ci-dessous).

Les conditions de refroidissement lors de la trempe sont :

La trempe se fait par immersion de la pièce dans un milieu de trempe qui extrait la chaleur contenue dans celle-ci, ce milieu peut être :

- gazeux : air, gaz (N2, Ar, H2, He, etc.) - liquide : eau, huiles et bains de sels fondus (l’eau et les huiles peuvent contenir des

additifs qui modifient leur pouvoir refroidissant) - mixte : brouillard (gaz + liquide atomisé), lit fluidisé (gaz + solide pulvérulent).

Trempe à l’eau C’est le milieu de refroidissement le moins cher et refroidissement le plus énergiques

L’exécution d’une bonne trempe à l’eau exige le contrôle permanent :

- De la température de l’eau - De l’agitation des pièces - De la circulation de l’eau et de son renouvellement éventuel

La modification volontairement du pouvoir refroidissant de l’eau en incorporant

divers produits : *en mettant en solution des sels ; *en lui ajoutant des polymères organiques. Trempe à l’huile

Une grande variété d’huiles de trempe existe, on les distingue par : - L’huile de base (minérale ou synthétique) - Les additifs contenus

L’utilisation de la trempe à l’huile demande la mise en œuvre de moyens de prévention et de lutte contre les incendies. Après trempe à l’huile, nécessité de dégraisser les pièces. Trempe au gaz



Settat

Les conditions de refroidissement dépendent ici : - De la nature du gaz ; - De sa température et sa pression du gaz ; - De la vitesse relative du gaz par rapport à la surface de la pièce.

L’utilisation d’un gaz neutre évite toute altération chimique de la surface de la pièce. Trempe au brouillard : Réalisée en projetant à la surface de la pièce un fort courant d’air dans lequel de fines gouttelettes d’eau sont mises en suspension.

Le pouvoir refroidissant d’un tel brouillard peut être de 4 à 5 fois plus grand que celui de l’air utilisé. Trempe en bain fluidisé : Un bain fluidisé pour la trempe est constitué par de fines particules (généralement d’alumine) en suspension dans un courant gazeux

Les fluides utilisés par ordre de vitesse de refroidissement décroissante: l'eau salée, l’eau, l'eau additivée (polymère par exemple), l'huile, le brouillard d'eau et les gaz (air, argon, azote, etc... )



Settat

Diagramme TRC

Acier: 90 M 5

3) Les traitements thermiques des aciers dans la masse : revenu Le revenu usuel -Réalisé à une température comprise entre 500 et 575°C -Provoque la précipitation complète du carbone sous forme de cémentite Fe3C -Suivant la température et le temps de revenu, ces carbures sont plus ou moins fins, dispersés, globulisés, coalescés. -Suivant la température de revenu, dans le domaine considéré, on provoque une baisse plus ou moins forte des caractéristiques de résistance mais aussi un relèvement très sensible des caractéristiques de ductilité



Settat

Le revenu de durcissement secondaire -Réalisé à une température comprise entre 600 et 675°C -Provoque précipitation complète du Carbone sous forme de carbures spéciaux (Cr7C3, Cr23C6, Mo2C, …) -Particulièrement effectué sur les pièces devant travailler à haute T.

4) Les traitements thermiques des aciers dans la masse : recuits Le recuit Objectif : éliminé toute l’histoire thermique de l’acier en ramenant le métal à l’équilibre physico-chimique et mécanique Principe : réalisé un cycle thermique * Chauffage à une température de recuit * Maintien isotherme à cette température * Refroidissement lent dans l’air ou le four

Propriété recherchée : * Ductilité maximale * Dureté minimale * Bonnes propriétés mécaniques Dans la pratique, on distingue différents recuits en fonction des buts à atteindre : - Le recuit d’homogénéisation - Le recuit de régénération - Le recuit complet - Le recuit de détente Le recuit d’homogénéisation Objectif : réduire les hétérogénéités de composition chimique engendrées par le procédé de solidification Le recuit de régénération Objectif : affiner le grain de l’acier après que celui-ci ait subi un grossissement excessif à la suite d’une surchauffe accidentelle



Settat

Le recuit complet Objectif : homogénéiser la structure d’un acier non allié ou faiblement allié ; il permet aussi d’affiner le grain de cet acier

Il se définit essentiellement par son cycle thermique qui comporte : - une austénitisation (conditions identique que celle qui précède la trempe) - un refroidissement à l’air libre

Un des intérêts de ce recuit est d’obtenir un matériau dont l’usinage et la

déformation à froid est facilitée Le recuit de détente Objectif : diminuer les contraintes résiduelles préalablement générées par des cycles thermiques ayant créé, des gradients thermiques et donc des déformations hétérogènes (à l’occasion d’opération de formage, de soudage ou de traitements thermiques)



Settat

Modification des propriétés des Aciers

recuits

austénite

refroidissement rapide (trempe)

réchauffage

t > température critique

réchauffage

590 < t ≤ 675 °C

réchauffage

400 < t ≤ 590 °C

réchauffage

220 < t ≤ 400 °C

réchauffage

70 < t ≤ 220 °C

martensite instabledure et fragile

martensite stable

perlite très fine

perlite fine

perlite globulairebonne usinabilité

détruit les effets de la trempe

revenus

revenus usuels

revenus de détente(cas des outil

coupants

3-b) Traitement de Surface des Aciers

Suivant l’utilisation de la pièce élaborée, ce sont surtout les propriétés de surface qui

prédomine (ex : résistance à l’usure). Pour préserver les outils et des accessoires de machines de l'usure et des

déformations on cherche à réaliser une grande dureté superficielle à ces pièces. Dans ces cas, le traitement de surface est préféré afin que le cœur de la pièce

conserve une bonne ténacité et que la peau soit plus résistante. Les traitements de surface sont généralement appliqués sur des aciers ordinaires ou

des aciers peu chargé en éléments d’addition.

Deux types de traitements de surface peuvent être identifiés : - les trempes superficielles font modifier la structure de la peau des pièces - les traitements thermochimiques font modifier la composition de la peau des pièces Remarque : on peut aussi protéger la surface contre la corrosion par : Isolation par revêtement étanche, Protection par un métal résistant à l’oxydation, Protection par modification chimique en surface et Protection par électrode de sacrifice.



Settat

I) Les trempes superficielles

Elles consistent à austénitiser rapidement la peau de la pièce suivie d’une trempe. Ce

traitement porte sur quelques millimètres d’épaisseur de la pièce.

Les méthodes les plus pratiques pour le chauffage superficiel sont: - Le chauffage au chalumeau; - Le chauffage par induction électrique. Cette dernière technique est plus intéressante car la pénétration de la chaleur peut

être réglée avec plus de précision et elle est automatisable. I-a) Trempe à la flamme (au chalumeau)

La surface de la pièce est portée en quelques secondes au-delà de 900°C à l’aide d’un chalumeau ou d’un jeu de brûleurs judicieusement répartis, puis trempée plus ou moins violemment selon l’épaisseur relative chauffée.

La profondeur durcie peut varier entre un millimètre et la pleine section de la pièce

(typiquement jusqu’à 75 mm) selon la durée d’interaction de la flamme et l’efficacité du refroidissement vis-à-vis de la trempabilité de l’acier.

Les différents procédés de trempe à la flamme sont soit : - de type stationnaire

- soit de type au défilé (« de proche en proche »)



Settat

I-b) Trempe avec chauffage par induction en moyenne ou haute fréquence

La partie de pièce à traiter est soumise, en statique ou au défilé au champ électromagnétique d’un inducteur alimenté en courant de HF, typiquement quelques kHz à 400 kHz . Il en résulte échauffement de la pièce par effet Joule et conduction thermique

Le refroidissement se fait par trempe sous douche d’eau, celle-ci : -se substituant à l’inducteur (procédé statique); - s’opère juste derrière l’inducteur (procédé au défilé).

Il en résulte un durcissement martensitique sur des épaisseurs superficielles (~ 0,5 à 5 mm).



Settat

II) Les traitements thermochimiques

Ces traitements consistent à modifier la microstructure de la peau de la pièce en réalisant un gradient de composition chimique. Seule la peau durcie par trempe, tandis que le centre de la pièce reste doux et ductile.

Bien souvent, ce gradient de composition s’effectue par diffusion d’un métalloïde (C, N, ou les deux). Les profondeurs atteintes ~ 1 ou 2 mm.



Settat

Les traitements les plus connus sont des traitements de cémentation (consiste à faire

pénétrer superficiellement du carbone ou de l’azote (ou les 2) dans un acier afin de le transformer en surface en un acier fortement carburé susceptible d'être trempé. On distingue trois types de traitement de surface :

- Carburation (diffusion du carbone) - Nitruration (diffusion de l’azote) - Carbonitruration (diffusion des deux

1) La carburation

Les agents de cémentation sont des matières solides, liquides ou gazeuses qui, à des

températures du domaine austénitique de l'acier, peuvent libérer du carbone . 1-a) La cémentation en caisse : (agent solide)

Pour cémenter des pièces à partir de carbone solide ou de matières carbonées, on les place par exemple dans des caisses étanches, nommées caisses de cémentation, que l'on remplit avec les agents de cémentation granulés ou en poudre. L'oxygène enfermé dans les caisses suffit pour former la quantité de CO nécessaire au transfert du carbone.

La trempe ne peut pas intervenir directement, les pièces sont refroidies puis réchauffées pour être trempées. La cinétique est assez lente. La température de cémentation est comprise entre 900 et 950°C



Settat

1-b) Les bains de cyanures fondus : (agent liquide) * Le milieu liquide est un bain de sels en fusion riche en produits carburants. * On emploi de sels à base de chlorures alcalins (NaCl, KCl) additionnés d’une quantité de cyanures de sodium (NaCN), (environ 10%) * Dans ce bain on immerge les pièces. *Température de cémentation comprise entre 875 et 930°C. * La cinétique de carburation des pièces est rapide. *Ce procédé est assez peu employé compte tenu des conditions de travail et principalement à la nature cyanurée de ces bains. * La trempe est faite directement à l’huile ou aux sels (après « rinçage » dans des sels neutres). 1-c) Fours en atmosphères gazeux : (agent gaz)

Le traitement est réalisé dans un four étanche dans lequel on maintient une atmosphère contrôlée constituée d’un gaz support auquel on ajoute si nécessaire, pour atteindre le potentiel carbone souhaité, un gaz d’enrichissement en carbone.

En ce qui concerne les agents de cémentation gazeuse directe (sont surtout le méthane (CH4) et le gaz de ville, la cémentation est basée sur la décomposition du méthane

selon l'équation : CH4 → C + 2 H2.

La trempe est faite directement le plus souvent à l’huile. La température de cémentation est comprise entre 900 et 975°C.



Settat

2) La nitruration

La solubilité de l’azote dans le fer α est de 0,4% à 590°C. Sa mise en solution est réalisée entre 500 et 550°C. Les agents de nitruration le plus couramment utilisé sont l’ammoniac sous forme gazeuse.

Avant de saturer le fer (0.4%) l’azote tend à former des nitrures finement dispersés. Les duretés superficielles obtenues après nitruration sont supérieures à celles obtenues par carburation.

La zone traitée est de faible épaisseur : 0,2 mm pour un traitement de 10h à 525°C et 0,6 mm pour 60h à 525°C. Ces faibles épaisseurs sont liées à la température du traitement.

Comme la nitruration s’opère sur du fer α et que le durcissement n’est dû qu’à la formation de nitrure aucun traitement thermique ultérieur n’est nécessaire.

3) La carbonitruration

Il s’agit d’une diffusion simultanément de carbone et d’azote en surface. C’est un

traitement très proche de la carburation s’effectue sur du fer sous la forme γ0. Les milieux de carbonitruration sont des bains de cyanures ou des mélanges gazeux. Les propriétés de la couche traitée sont intermédiaires aux propriétés des traitements de

carburation et de nitruration.

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Les aciers 2015-16 Lic. Profes. Génie. Civ FSTSgeniecivil08.e-monsite.com/medias/files/les-aciers-2015... · 2016-12-27 · Licence professionnelle - Génie Civil et construction