P5 classif acier 2013 a

Ecole Polytechnique de Tunisie

Procédés II - partie 5

Année universitaire 2012 - 2013

1

Classification et désignations des aciers

2Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013

Diagramme Fe -C

3

Diagramme Fe -C

Sidérurgie - Classification des aciers - Fathi CHTIOUI - 2013

- Le diagramme Fe-C renseigne sur le comportement d’un alliage Fe-C.

- Les aciers usuels contiennent des éléments d’alliage et des impuretés (addition involontaire, éléments non éliminés en cours

d’élaboration) incorporés dans la structure.

- Si la quantité d’éléments ajoutés est importante, elle peut dépasse la limite de solubilité et d’autres phases vont se former et conditionner les propriétés de l’acier.

4

Diagramme Fe -C


5

Effets des éléments d’alliage

Les différents éléments d’alliage (ou d’addition) peuvent être divisés en 3 grandes classes :

- Les éléments alphagènes

- Les éléments gammagènes

- Les élements carburigènes


Addition (élément d'addition) : Eléments chimique (métallique ou non) ajouté en quantité modérée dans la composition d'un alliage pour modifier ses propriétés métallurgiques.

Alliage (élément d'alliage) : Elément chimique (métallique ou non) ajouté en quantité relativement importante dans la composition d'un alliage pour optimiser ses propriétés métallurgiques.

Les éléments alphagènes

contribuent à l’extension du domaine de la solution solide et réduisent celui de γ.

En général, ils ont la même structure cristalline que : cubique centrée.

Exemples : Cr, Nb, Si,…


Alphagène (élément alphagène) : Elément d'alliage dont la présence accroit le domaine des températures d'existence d'une phase solide appelée «alpha» .

Acier ferritique : Acier dont la structure est essentiellement constituée de ferrite à température ambiante.

Les éléments gammagènes

diminuent AC1 et étendent le domaine de la solution solide γ (austénite).

abaissent la température de transformation => γ (AC3).


Austénite : Solution solide d'un ou plusieurs éléments (carbone, manganèse, nickel,…) dans le fer gamma de structure cubique à face centrée.

Acier austénitique : Acier dont la structure est essentiellement constituée d'austénite à température ambiante.


AC1 –AC3

Ac (Ac1, Ac3) : Températures de transformation des alliages fer-carbone avec un échauffement suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer que la température de transformation augmente avec la vitesse de chauffage (Ac1>A1 et Ac3>A3).


AC1 –AC3


Les éléments carburigènes

Ce sont les éléments qui ont une forte tendance, s’ils sont présents en quantité suffisante à former avec le carbone des carbures.

Exemple : V, Ti, Nb, W, Mo, Cr….


Les éléments connus pour être peu ou pas carburigènes sont Ni, Si, Cu, N, Mn.

11

ElémentsRôle durcissant

Tendance à former des carbures

Rôle pour la résistance au fluage

CMnPSSiNiCrMoWVTiCoAlZrCuNb

fort à modérémodéré à fort

modérénégatifmodérémodéré

fortfort

faiblefortfort

négatiffaiblefaible

modéréfort

-modéré

nulnul

négatifnulfortfortfortfortfortnul

négatiffortnulfort

Modéré à faiblefaible

modérénul

faiblefaiblefaiblefortfortfort

modéréfaible

négatif--

modéré


Rôle des différents éléments d’alliage

Eléments Fonction principaleC Contrôle le niveau de résistance

Mn Durcit, améliore la trempabilité et la ductilitéP Améliore la résistance à la corrosionS Améliore l’usinabilité mais diminue la ductilitéSi Intervient comme désoxydantNi Durcissant par solution solide, améliore la ténacité à basse T°

Cr Durcissant par formation de carbures (résistance à l’usure), améliore la résistance à l’oxydation.

Mo Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaud

W Améliore la résistance au fluage et à l’usureV Durcissant par formation de carbures, améliore la résistance à chaudTi Améliore la résistance à l’usure (carbures de Ti très durs)Co Améliore la résistance à haute température, mais diminue la trempabilité

Al Contrôle le grossissement de grains à haute températureZr Diminue la tendance à la déformation par vieillissementCu Améliore la résistance à la corrosionNb Peu utilisé

Chaque élément a une fonction principale :



La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se propage.La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette propagation. S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.

La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité comme étant la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber avant de casser. Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre.

Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.

14

- Les aciers destinés à des utilisations particulières contiendront les éléments qui les rendront

performants pour de telles utilisations.

- Désignation des Aciers : sert à donner des références aux aciers de manière à pouvoir

identifier les éléments principaux qui les constituent.


15

- Il existe plusieurs normes de désignation : Française (Normes AFNOR)

Allemande (DIN) Américaine (ASTM)

etc,…

- Normes AFNOR : désignations différentes d’une nuance d’acier à une autre.


Normes de désignation des aciers

AFNOR : Association Française de Normalisation

16

Aciers d’usage général non alliés : - Non prévus pour subir des traitements thermiques.

- Lettre A suivie d’un nombre indiquant la résistance à la traction en daN/mm2.

Exemple : A 50

-Lettre E suivie d’un nombre indiquant la limite d’élasticité en daN/mm2, et éventuellement un chiffre indiquant la qualité.

Exemple : E 36-3 3 soudable


Désignation selon les règles AFNOR

17

- Prévus pour TT

- Lettres CC suivies d’un nombre qui indique la teneur approximative en carbone en centième.

Exemple : CC 15 => 0,15%C.

-Lettres XC suivies d’un nombre qui indique la teneur en carbone en centième, ceci lorsqu’il s’agit d’aciers de tolérances

sur les compositions plus serrées.

Cette désignation est parfois suivie d’une ou 2 lettres qui donnent d’autres renseignements sur l’acier.

Exemples : XC 20 S (acier à 0,2% en C, soudable),

XC 48 TS (acier à 0,48% en C pour trempe superficielle).


Aciers au carbone

18

-Aciers faiblement alliés : teneur en éléments d’alliage (tous) inférieure à 5%

-Aciers fortement alliés : teneur en éléments d’alliage (au moins un) supérieure à

5%


•Acier faiblement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel tous les éléments d'alliage ont une teneur inférieure à 5% par convention.

•Acier fortement allié : Acier dont les propriétés métallurgiques ont été spécialement modifiées par ajout d'élément(s) d'alliage (chrome, molybdène, nickel,...) dans lequel au moins un élément d'alliage a une teneur supérieure à 5% par convention.

Aciers alliés

19

La désignation comprend : - Un nombre égal à la teneur moyenne en carbone en centième.

- Une ou plusieurs lettres désignant les principaux éléments d’alliages dans l’ordre des teneurs décroissantes.

- Un nombre indiquant la teneur moyenne de l’élément correspondant à la première lettre et parfois un second nombre qui indique la teneur du 2ème élément. Ces nombres sont à diviser par un facteur multiplicateur qui dépend de l’élément d’addition.


Exemple : 30NC11 0,3% Carbone – 11/4% Ni – quelques % de Cr.

Aciers faiblement alliés

20

Elément Symbole Facteurmultiplicateur

Aluminium A 10

Chrome C 4

Cobalt K 4

Manganèse M 4

Molybdène D 10

Nickel N 4

Plomb Pb 10

Silicium S 4

Soufre F 10

Titane T 10

Tungstène W 10

Vanadium V 10


Facteur multiplicateur

21

- La désignation est précédée par la lettre Z

- La suite étant identique à celle des aciers faiblement alliés sauf que le % de l’élément correspondant à la première lettre est réel (non divisé par le facteur multiplicateur).

Exemple : Z 200 C12 2% carbone, 12% chrome


Aciers fortement alliés

22

Deux désignations sont utilisées :

- Notation conventionnelle relative aux aciers alliés.

- Notation à 4 chiffres :


Aciers à outils

Exemples : 4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02

4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02

23

1er chiffre 1 non alliés pour travail à froid

2 alliés pour travail à froid3 alliés pour travail à chaud4 rapides

2ème chiffre 1 ou 4 1 = W 4 = Mo

2 travail à froid – conditions spécifiques 3 travail à chaud – conditions spécifiques.


Notation à 4 chiffres

3 ème chiffre : Elément d’alliage 4 W6 V7 Co

4ème chiffre : Différentes nuances du même groupe

Exemples : 4441 : Z85 DCWV 08-04-02-02 4371 : Z85 WDKCV 06-05-04-02

24

d’utilisation :Classes d’aciers

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


25

- Non destinés aux traitements thermiques

- Utilisés dans la construction mécanique 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%).


Aciers de construction

- Doivent répondre particulièrement à 2 exigences : * Bonne ductilité * Bonne soudabilité

Exemple : CC11, CC18, 14M4, 22M5,…

26

- Aciers au Carbone (XC08 => XC90) et aciers faiblement alliés.

- Utilisés pour toutes les pièces sollicitées mécaniquement (travaillant à T ambiante).

- Amélioration des propriétés assurée par les traitement thermiques.


Aciers pour TT

27

Exemples d’acier pour TT

Acier Domaine d’application

Aciers au manganèse Chaudronnerie soudée, ressorts,….

Aciers au silicium Engrenages, villebrequins, arbres de transmission, barres de torsion

Aciers au chrome Bielles, essieux, attelages

Aciers au Cr-Mo Arbres de roues, de turbine, engrenages, canons de fusils

Aciers au Ni-Mo Boulonnerie vapeur

Aciers au Cr-Ni-Mo Marteaux pilons, blocs à matrice

Aciers au Ni-Cr-Mo Tuyauteries vapeur, gros engrenages


28

-Aciers pour la fabrication des outils.

- Propriétés particulièrement requises :

* Bonne résistance à chaud * Grande dureté à froid * Résistance à l’usure * Bonne trempabilité.


Aciers à outils (1)

-Teneur en C élevée (0,6 à 1,4) et pouvant atteindre 2%.

-Les résistances à l’usure et à chaud sont assurées par la présence de carbures (éléments carburigènes : V, Mo, W et Cr).

- Il existe 3 types d’aciers à outils : * pour travail à froid (20°C) * pour travail à chaud * aciers rapides.


Aciers rapides

L'appelation acier rapide (AR), ou ARS pour « acier rapide supérieur », désigne les aciers à outils ayant la capacité de conserver leur trempe à haute température. Ils sont notamment employés pour la découpe à haute vitesse (foret, …), d'où le terme « rapide », que l'on retrouve dans la désignation en anglais : high speed steel, abrégé HSS.

Les aciers rapides sont généralement utilisés pour leurs propriétés de dureté élevées (> 60 HRC) et leur niveau de résilience acceptable (propriété de résistance au choc). Ils présentent en général une forte résistance à l'usure du fait de leur fort alliage et de la présence significative d'éléments producteurs de carbures durs tels que le tungstène et le vanadium.

Les aciers rapides sont des aciers spéciaux de haute performance, qui offrent :

• Une grande dureté jusqu’à une température de 500°C

• Et une grande résistance à l’usure (grâce à des éléments d’alliage tels que le tungstène, le molybdène, le vanadium et le chrome, qui permettent de former des carbures de grande dureté).

• Pour améliorer la résistance à chaud, il est possible d’ajouter du cobalt.

30

Aciers pour outils travaillant à la température ambiante sans réchauffage notable.

2 catégories :

- Aciers non alliés

- Aciers alliés


Aciers pour travail à froid

31

- Aciers au C (jusqu’à 1,4%) contenant du Mn et du Si.

- Les plus anciens aciers à outils (20% des aciers à outils actuels).

- peuvent avoir une très bonne dureté, mais ils ont une faible trempabilité (d’où leur emploi essentiellement pour les pièces de sections réduites)

- Faciles à usiner.

- Utilisation en petite mécanique (outillage à main ou agricole, coutellerie).


Aciers pour travail à froid - aciers non alliés

32

- Contiennent des éléments d’alliage tels que Mo, V, Mn, Cr, W - % en C est élevé 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

- Pratiquement insensibles aux tapures

- Classifiés d’après leurs propriétés


Aciers pour travail à froid – aciers alliés (1)

33

- Classification d’après leurs propriétés :

Résistants à l’usure : 100C2, 130C3, Z200CD12, …

Très haute résistance à l’usure : Z200C12, Z200CD12, Z200CDV5

Résistants aux chocs : 46S7, 45SCD6, 35NC15, 42CD4

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


Aciers pour travail à froid – aciers alliés (2)

34

- Ces aciers sont actuellement au nombre de 18.

- 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

- Usure à chaud.


Aciers pour travail à chaud

35

Défaut grave prenant la forme d'une fissure débouchante ou incluse.

-Dans les alliages, l'apparition de tapures est presque toujours liée à un processus d'échauffement ou de refroidissement.

-Les contraintes thermiques très élevées qui accompagnent un réchauffement brutal ou un refroidissement trop rapide ne peuvent être atténuées que par déformation plastique du métal.

-Si les caractéristiques mécaniques du métal ne se prêtent pas à une telle déformation, des tapures apparaissent. Par exemple, un acier dur tapera plus facilement qu'un acier doux.

- Lorsqu'il y a des inclusions, c'est généralement sur elles que s'amorcent les tapures.

-Tapures majeures intéressent une partie importante de la pièce tapée. Elles rendent inutilisables les produits où elles apparaissent. -Tapures mineures n’ont qu'une incidence locale. Elles accroissent la fragilité des pièces.

-Les tapures de trempe constituent un cas particulier très important des tapures de refroidissement. Elles sont évitées par des opérations de chauffage et de refroidissement accompagnant la trempe. Alain LE DOUARON


Tapure


Tapure - exemple

Examen métallographique sur une lame de couteau en acier damas sandwich présentant un défaut en long sur toute sa longueur.La micrographie x 40 après légère attaque au Nital ( acide nitrique dilué à 3% dans de l'alcool éthylique ) fait apparaître les différentes couches à partir du bord de la lame.Par contre le tranchant rapporté n'a pas réagi à l'attaque, en revanche il présente sur toute sa longueur un défaut de type tapure de trempe.

Tapures:"Défaut provenant d’un mode de refroidissement mal adapté à la forme de la pièce ou à la nuance de l’acier."Dans ce cas de figure il n'y avait pas eu de normalisation ni de recuit avant la trempe.On vois bien ici que ce n'est pas une mauvaise soudure du damas mais bien l'acier du centre qui a été "déchiré" par les tensions internes...La conclusion: Toujours faire des normalisations et un bon recuit, et ces défauts ne devraient plus apparaitre.


Allotropique (transformation allotropique) : Transformation au chauffage ou au refroidissement d'une variété cristalline d'un métal ou alliage en une autre variété cristalline. Par exemple, le fer alpha cubique centré se transforme en fer gamma cubique à faces centrées lors d'un chauffage à 912°C.

A1 : Température de transformation des alliages fer-carbone répondant aux critères suivants : - c'est la température à partir de laquelle l'austénite commence à apparaître au cours d'un échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite disparaît totalement au cours d'un refroidissement très lent.

A3 : Température de transformation des alliages fer-carbone hypoeutectoides (jusqu'à 0,77%C) répondant aux critères suivants : - c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement austénitique au cours d'un échauffement très lent, - c'est la température à partir de laquelle l'austénite commence à se transformer en ferrite au cours d'un refroidissement très lent.


Ar : Ar définit les températures de transformation des alliages fer-carbone avec un refroidissement suffisamment rapide pour ne pas respecter les températures d'équilibre. Ce terme est utilisé pour indiquer qu'il y a une diminution de la température de transformation avec la vitesse de refroidissement (Ar1<a3).<="" p="">

Acm : Température matérialisant la solubilité maximale du carbone dans l'austénite des alliages fer-carbone. Acm existe uniquement pour les alliages hypereutectoides (entre 0,77 et environ 2%C) et répond aux critères suivants : c'est la température à partir de laquelle la structure est totalement austénitique au cours d'un échauffement très lent ; c'est la température à partir de laquelle il apparait de la cémentite dans l'austénite au cours d'un refroidissement très lent.

glossaire


glossaire

Le fluage est le phénomène qui provoque la déformation irréversible d’un matériau soumis à une contrainte constante, inférieure à la limite d’élasticité du matériau, pendant une durée suffisante.

La ténacité est la capacité d’un matériau à résister à la propagation d’une fissure; cela s’oppose à la fragilité. Plus précisément, on définit la ténacité comme étant la quantité d’énergie qu’un matériau peut absorber avant de casser. Les matériaux pouvant se déformer plastiquement ont donc une plus grande ténacité que les matériaux à déformation uniquement élastique comme le verre.

La ductilité désigne la capacité d’un matériau à se déformer plastiquement sans se rompre. La rupture se fait lorsqu’un défaut (fissure ou cavité), induit par la déformation plastique, devient critique et se propage.La ductilité est donc l’aptitude qu’a un matériau à résister à cette propagation. S’il y résiste, il est dit ductile, sinon il est dit fragile.

Education

P5 classif acier 2013 a