Les Aciers

8/15/2019 Les Aciers

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Edition octobre 2007

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Un peu d’histoireLa fabrication du fer remonte à 1700 avantJC par les Hittites.

De cette époque jusqu’à la fin du moyen-âge, son élaboration consistait à chauffer

ensemble des couches alternées de mineraiet de bois jusqu’à obtenir une masse demétal pâteuse qu’il fallait marteler à chaud pour débarrasser de ses impuretés et obtenirdu fer brut.

Au XVe siècle découverte de la fonte avecl’apparition des premiers ‘ hautsfourneaux’ : un métal ferreux à l’état liquide permettant de créer des boulets de canon,des marmites, … La fonte permet égalementde produire du fer en abondance grâce à un

procédé d’affinage qui brule le carbonecontenu dans la fonte.

En 1786, trois savants français , Berthollet,Monge et Vandermonde établissent ladéfinition exacte du trio Fer-Fonte-Acier etle rôle du carbone dans leur caractéristiques.

A la fin du XIXe siècle, la production

d’acier se développe avec la révolutionindustrielle, notamment grace auxconvertisseur Bessemer et au procédéThomas-Gilchrist.

Au cours du XXe siècle, la production

mondiale d’acier passe de 28 millions detonnes en 1900 à 60 millions en 1910. En

1940 cette production atteint 141 millionsEn 2004, la production est de 1057 millions

de tonnes.

3. Les aciers (All iages Fer + Carbone)

Les aciers sont les métaux les plus répandus dans l’industrie et la construction mécaniqueD’une manière générale, on désigne ainsi les alliages Fer + Carbone.

3.1. Généralités

Classification des alliages FER + CARBONE. Ondistingue :

• Le FER industriel, pourcentage de carbone< 0,05 %. On ne parle plus de fer mais d’acier ‘àtrès bas carbone’.

• Les ACIERS d'usage courant, pourcentage decarbone allant de 0,05 % à 2 %

• Les FONTES, pourcentage de carbone allant de2,5 % à 5 %

L'augmentation du pourcentage carbone dans lesaciers, augmente :

• la DURETÉ (H)• la résistance à la RUPTURE (Rr)• la LIMITE ÉLASTIQUE (Re)• la résistance à la CORROSION• la résistance à l'USURE• la TREMPABILITÉ (mise en solution du carbone,

formation de CARBURES)

Mais diminue :• la MALLÉABILITÉ (PLASTICITÉ - DUCTILITÉ)• la résistance aux chocs (RÉSILIENCE)• la soudabilité

D'où la nécessité de choisir un acier plus ou moinscarburé selon que l'on désire réaliser :

• Résistance à l'usure : acier DUR (fort % carbone)• Chaudronnerie ou emboutissage : acier DOUX

(faible % carbone)


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Influence des éléments d'addition (Autres métaux ou métalloïdes) :

En dehors de la variation du pourcentage de carbone, on peut modifier les caractéristiquesmécaniques et aptitudes technologiques des aciers par addition d'autres métaux dont lesprincipaux sont, avec leurs principales influences :

• MANGANÈSE, augmente la limite élastique et la trempabilité• NICKEL, la résistance aux chocs et à la corrosion (fort %)• CHROME, la résistance à l'usure et à la corrosion• SILICIUM, la limite élastique• TUNGSTÈNE, la résistance à l'usure et à la chaleur• MOLYBDÉNE, la résistance à l'usure et à la chaleur• VANADIUM, la résistance à l'usure et aux déformations (TÉNACITÉ)

L’association de plusieurs éléments d’addition entre eux permet de pondérer les effets dechacun.Par exemple, dans l’alliage d’acier nickel chrome, le nickel rend l’acier inoxydable mais trop

mou et le chrome rend l’acier inoxydable mais trop dur. Une proportion convenable de chacundes deux composants permet d’allier de bonnes caractéristiques mécaniques à des conditionsde travail et d’usinage correctes.


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3.2. Identif ication des aciers

La désignation des aciers a évolué ces dernières années et certains documents peuventfaire référence à des aciers nommés selon une ancienne désignation, aussi nousprésentons pour information l’identification des aciers selon les anciennes normes.Les normes applicables sont évidemment les normes actuelles.

3.2.1. Les anciennes normes

Les aciers ont d’abord été désignés selon leur ductilité : extra doux, doux, demi-doux,dur,…Puis par leur résistance à la rupture Rr exprimée en hb (hectobar), les aciers de classe AEnsuite selon la limite élastique Re, les aciers de classe E

Ainsi, un acier A37 est équivalent à un E24

Par la suite, la désignation a pris en compte la teneur des différents éléments.

Pour les aciers non alliés : la teneur en carbone en pourcentage multiplié par 100Deux séries en fonction de la pureté de l’acier :

Série CC :• CC 10 : teneur en carbone de 0.10%• CC 20 : teneur en carbone de 0.20%• CC 35 : teneur en carbone de 0.35%

Série XC : teneur en soufre et phosphore plus basse• XC 10 : teneur en carbone de 0.09%• XC 18 : teneur en carbone de 0.19%• XC 38 : teneur en carbone de 0.38%

Pour les aciers faiblement alliés : la teneur en carbone en pourcentage multiplié par100, puis les éléments d’alliage avec leur teneur multipliée par 4 ou 10 en fonction del’élément.

Elément Symbole FacteurChrome (Cr) C

4Cobalt (Co) KManganèse (Mn) MNickel (Ni) NSilicium (Si) S Aluminium (Al) A

10

Molybdène (Mo) D

Niobium (Nb) NbSoufre (S) FTitane (Ti) TTungstène (W) WVanadium (V) V

Exemple ; l’acier 30 NCD15 contient 0.30% de carbone, 3.75% de nickel, du chrome etmolybdène en plus faible teneur.

Conversion1 hectobar = 10 Mpa


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Pour les aciers fortement alliés : la désignation commence par Z, puis la teneur encarbone comme précédemment et les éléments d’alliage sans facteur multiplicatif.

Exemple ; l’acier Z 15 CN 18 contient 0.15% de carbone, 18% de chrome et du nickel enplus faible teneur.

3.2.2. Les normes actuelles

Les normes actuelles de désignation des aciers définissent les familles suivantes :

Les aciers non alliés d’usage général :

Utilisés pour la construction soudée, l’emboutissage, l’ameublement, l’électroménager, …

De type S pour un usage général de base

De type E pour la construction mécanique

La désignation de ces aciers comprend la lettre du type d’acier suivi de la valeur de lalimite élastique en Mpa (Re)S’il s’agit d’un acier moulé, on précède la désignation de la lettre G

Exemple ;S185 (anciennement A33), Re = 185 Mpa

E295 (anciennement A50), Re = 295 MpaGE295, acier moulé, Re = 295 Mpa

Les aciers non alliés spéciaux :

De type C

Leur désignation comprend la lettre C suivie de la teneur en carbone multipliée par 100.S’il s’agit d’un acier moulé, on précède la désignation de la lettre G

Exemple ;

C45, acier non allié comportant un taux de 0.45% de carboneGC22, acier moulé non allié comportant un taux de 0.22% de carbone


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Les aciers faiblement alliés :

Aucun élément d’addition ne dépasse 5%

La désignation reprend la teneur en carbone multipliée par 100, suivie des élémentsd’addition et leur pourcentage respectifs multiplié par un facteur spécifique.

Exemple ; l’acier 35NiCrMo16 contient 0.35% de carbone, 4% de nickel, du Chrome et duMolybdène en plus faible teneur.

Les aciers fortement alliés :

Un élément d’addition atteint au moins la teneur de 5%

Ils sont désignés par la lettre X, suivie du pourcentage de carbone multiplié par 100, puisde la désignation des éléments d’addition et leur pourcentage respectif sans facteurmultiplicateur .

Exemple ; l’acier X2CrNi 18-9 contient 0.02% de carbone, 18% de chrome et 9% de nickel

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Différence entre CFC et CCC ?La compacité permet d’évaluer letaux d’occupation d’un espace.

Il existe un lien entre la densité etla compacité d’une structure

métallique.

Structure CCC

La compacité d’une structurecubique à corps centré est de 0.68

Structure CFC

La compacité d’une structurecubique faces centrées est de 0.74

Le réseau cubique faces centrées

(CFC) est plus dense que leréseau cubique à corps centré

(CCC).

3.3. Les traitements des aciers

Les aciers ont un module de YOUNG à 210GPa, sensiblement identique quelque soit leurcomposition. Cependant les autres propriétés varient énormément en fonction de leurcomposition et des traitements auxquels ils ont été soumis

Il est possible de modifier les propriétés des aciers en de plusieurs manières :• Par les éléments d’addition• Par un traitement mécanique provoquant l’écrouissage• Par un traitement thermique• Par un traitement de surface

3.3.1. Traitements thermiques des aciers

3.3.1.1. Préalable – Les différentes phases des aciers

L’acier est un mélange formé par la dissolution de carbone dansle réseau cristallin métallique du fer.Il existe différentes phases de l’acier qui présentent chacune despropriétés différentes. Ces propriétés sont liées notamment à laposition du carbone dans la structure métallique du fer ; on parlede structure cubique à corps centré (CCC) ou cubique facecentrée (CFC).

Les différentes phases à température ambiante sont lessuivantes :

• Ferrite ou fer α ; il s’agit d’acier à très faible teneur en

carbone, on peut dire du fer pur. Sa dureté est de 80 Hv.Sa structure est cubique à corps centré( CCC).• Cémentite, ou carbure de fer ; c’est un composé très dur

(700 à 800 Hv) mais très fragile• Perlite, il s’agit d’un agrégat formé de 89% de ferrite et

11% de cémentite, sa dureté est de 220 Hv.

A haute température (voir diagramme plus bas), le fer α changede structure en fer γ cubique faces centrées (CFC), ce qui a poureffet de permettre une plus grande solubilité du carbone.La phase est la suivante :

• Austénite ; Certains éléments comme le manganèse, le

nickel ou l’azote permettent grâce à une trempe d’obtenir de l’austénite àtempérature ambiante. On parle d’aciers austénitiques.

A la suite du refroidissement de l’acier, l’austénite donne une nouvelle phase enchangeant de structure.

• Martensite ; cette solution solide d’insertion sursaturée de carbone dans le fer α ala même composition que l’austénite initiale. Sa dureté est supérieure à 800 Hv.

• Bainite ; il s’agit d’un agrégat de plaquettes de ferrite et des particules decémentites qui se forme lorsque le refroidissement est trop lent pour obtenir de lamartensite et trop rapide pour obtenir de perlite. La Bainite est dure et facile à

usiner.


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