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Découpe d’un tuyau en acier

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Teneur en carbone

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Austénite : transformation

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Acier trempé : dureté et teneur en carbone

Acier trempé : dureté et teneur en carbone
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L'acier est un alliage de fer et de carbone renfermant au maximum 2 p. 100 de ce dernier élément. Il peut contenir de petites quantités d'autres éléments incorporés, volontairement ou non, au cours de son élaboration. On peut également y ajouter des quantités plus importantes d'éléments d'alliage ; il est considéré alors comme un acier allié. La teneur en carbone de certains de ces aciers alliés peut parfois dépasser 2 p. 100.

Contrairement à la fonte, qui contient plus de 2 p. 100 de carbone, l'acier est un métal ductile ; il peut subir des changements de forme par compression ou extension à chaud ou à froid. Il est caractérisé, en outre, par une propriété fondamentale qui est la raison du développement considérable de ses emplois : il « prend la trempe », c'est-à-dire qu'il est susceptible d'acquérir une grande dureté lorsqu'il est chauffé à une température suffisamment élevée puis refroidi à une vitesse assez grande. Cependant, cette propriété ne se rencontre pas dans certains aciers alliés, qui doivent leur utilisation à d'autres caractéristiques. L'acier peut durcir également sous l'effet d'autres traitements que la trempe, par exemple par écrouissage (travail mécanique à froid).

Découpe d’un tuyau en acier

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La découpe à la flamme ou oxycoupage est la technique la plus anciennce pour couper l'acier. Elle permet de percer des tôles très épaisses contrairement aux découpes laser et plasma. 

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La possibilité d'attribuer aux aciers une gamme étendue de propriétés grâce à des traitements thermiques, thermomécaniques et mécaniques est à l'origine du très large éventail de leurs utilisations. La quantité d'acier consommée par tête d'habitant a d'ailleurs pu être considérée comme l'indice du développement d'un pays, et l'on peut affirmer que l'industrie moderne a son origine, dès le milieu du xviiie siècle et surtout au xixe siècle, dans la découverte des procédés de production massive de l'acier.

Les aciers ordinaires montrent des insuffisances qui limitent leurs utilisations et les rendent impropres à certains usages. Très souvent, la résistance aux sollicitations mécaniques est en cause ; parfois, c'est l'attaque par des réactifs chimiques ou même simplement par l'atmosphère, lorsqu'elle est humide ou polluée. On a réussi à pallier ces inconvénients et à élargir les domaines d'emploi des aciers en ajoutant une certaine quantité de métaux ou d'éléments non métalliques. On obtient ainsi une importante gamme d'aciers alliés répondant à des nécessités très diverses.

On désigne par aciers de construction tous ceux qui sont utilisés dans la construction mécanique, c'est-à-dire pour la fabrication de machines, de structures et de moteurs, par exemple dans les industries automobile et aérospatiale. C'est essentiellement en raison de leur résistance mécanique que ces aciers sont choisis, et ce choix dépend à la fois de la dimension des pièces envisagées et des sollicitations auxquelles elles sont soumises.

L'outil a été probablement la première utilisation de l'acier. Il s'agissait alors de prolonger la main humaine pour la mise en œuvre des matériaux naturels. La construction de machines a conduit à la fabrication d'outillages de plus en plus compliqués et auxquels il était demandé des efforts de plus en plus grands ; on a dû, pour cette raison, substituer dans beaucoup de cas des aciers spéciaux et alliés à l'acier ordinaire.

Un des inconvénients majeurs des aciers ordinaires est l'altération par l'action de l'atmosphère et, plus encore, par les divers produits au contact desquels ils peuvent se trouver. La rouille est la première manifestation de cette altération, mais des attaques beaucoup plus profondes peuvent se produire par l'action de gaz ou de liquides plus réactifs. Si la protection contre une atmosphère humide est assez facile par des revêtements métalliques ou par des peintures, les attaques chimiques exigent des solutions beaucoup plus radicales visant la composition même du métal et sa structure. Une classe d'aciers dits inoxydables répond à ces exigences.

Constituants des aciers

Rappelons que le fer existe sous deux variétés allotropiques différentes, c'est-à-dire avec deux formes cristallines.

Aux basses températures et jusqu'à 910 0C, ses atomes sont disposés suivant un réseau cubique centré, c'est-à-dire qu'ils occupent les sommets et le centre d'un cube : on l'appelle alors fer α. Aux températures supérieures à 910 0C et jusqu'à 1 392 0C, le réseau cristallin est du type cubique à faces centrées, c'est-à-dire que les atomes sont disposés aux sommets du cube et au centre de ses faces. On l'appelle fer γ. Au-dessus de 1 392 0C et jusqu'au point de fusion, à 1 535 0C, le fer retrouve la structure cubique centrée du fer α : on l'appelle alors fer δ pour distinguer son domaine de stabilité. Lors d'un chauffage, la transformation du fer α en fer γ se fait avec diminution de volume et absorption de chaleur. La transformation inverse se fait avec dilatation.

Cette existence des deux variétés allotropiques du fer joue un grand rôle pour les propriétés de l'acier. Le fait essentiel réside dans la différence de solubilité du carbone dans chacune de ces formes. Alors que cette solubilité du carbone est nulle ou extrêmement faible dans le fer α, elle est notable dans le fer γ, voisine de 2 p. 100 à 1 145 0C. Cette solution de carbone dans le fer γ est appelée austénite, tandis que la solution (très diluée : 0,0218 p. 100 à 727 0C) dans le fer α est appelée ferrite. En raison de cette faible solubilité, le carbone forme avec le fer un troisième constituant, le carbure de fer Fe3C, ou cémentite.

Ainsi, un acier, alliage de fer et de carbone, est constitué, à la température ordinaire, d'un mélange de ferrite et de cémentite. Mais, à température plus élevée, alors que le fer α s'est transformé en fer γ, il comporte un seul constituant, l'austénite. Le chauffage destiné à provoquer cette transformation de l'acier est appelé austénitisation.

La présence de carbone entraîne d'ailleurs des modifications de la température à laquelle se fait la transformation. Ces modifications sont exprimées dans le diagramme fer-carbone (fig. 1). Ce schéma fait abstraction du domaine du fer δ existant entre 1 392 0C et le point de fusion, pour les aciers à faible teneur en carbone. Un point remarquable doit être noté, correspondant à la teneur de 0,8 p. 100 de carbone. Ce point est dit eutectoïde ; les aciers qui contiennent moins de 0,8 p. 100 de carbone sont dits hypoeutectoïdes et ceux qui sont plus riches en carbone, hypereutectoïdes.

Teneur en carbone

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Le diagramme simplifié représente en fonction de la température et de la teneur en carbone les domaines d'existence des différents colnstituants des aciers. 

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Dans les aciers, la transformation α → γ commence dès 730 0C et se poursuit dans un intervalle de température variable suivant la teneur en carbone. Pour un acier eutectoïde ayant une teneur en carbone de 0,8 p. 100, la transformation entière se produit à 730 0C.

Structure des aciers

Les aciers sont, à la température ambiante, constitués essentiellement par des mélanges de ferrite et de cémentite. Mais la superposition de ces deux constituants peut prendre des formes très différentes selon les conditions dans lesquelles ils ont pris naissance. Les structures de l'acier peuvent ainsi être extrêmement variées ; elles sont aisément mises en évidence par les techniques de la métallographie.

Celles-ci comportent l'examen d'une surface du métal très soigneusement polie et attaquée par des réactifs convenables qui mettent en évidence, par des différences dans l'intensité de l'attaque, les divers constituants de l'acier. L'examen se fait à l'aide d'un microscope optique. Des procédés un peu différents permettent l'examen au microscope électronique avec des grossissements beaucoup plus grands. On a pu constater que les propriétés d'un acier étaient essentiellement fonction de cette structure ; par conséquent, l'obtention d'une structure convenable est la clé qui permet d'attribuer à l'acier les propriétés désirées.

Ces structures dépendent des conditions dans lesquelles l'acier a été refroidi depuis le moment où, chauffé au-dessus du point de transformation, il était constitué par de l'austénite. En particulier, suivant la vitesse de refroidissement, on peut avoir, dans le cas de faibles vitesses, une répartition dans la ferrite de particules très grossières de cémentite, ou, au contraire, dans le cas de plus grandes vitesses, une superposition des deux constituants en éléments extrêmement fins, discernables seulement avec de très forts grossissements. À l'extrême, on peut arriver à une solution de carbone dans une ferrite déformée, solution en état de faux équilibre, puisque la solubilité du carbone dans la ferrite est extrêmement faible ; la structure formée est la martensite ; dès qu'un échauffement aura restitué aux atomes de carbone une certaine mobilité, ils se sépareront de la ferrite sous forme de carbure, tandis que la ferrite retrouvera sa cristallisation cubique centrée normale.

La connaissance des diverses structures auxquelles peut aboutir la transformation de l'austénite lors du refroidissement a accompli de grands progrès grâce à l'étude de cette transformation en conditions isothermes à diverses températures. Lorsqu'on prend un échantillon d'un acier chauffé dans le domaine de l'austénite, qu'on le refroidit brusquement à une température inférieure à son point de transformation – par exemple, à 600 0C – et qu'on le maintient à cette température pendant une durée suffisante, on peut suivre, par différentes méthodes, la transformation de l'austénite en fonction du temps. On constate alors que cette transformation débute seulement après un « temps d'incubation » qui dépend de la composition de l'acier et, pour un acier donné, de la température. Il peut être d'une fraction de seconde, de quelques minutes ou de quelques heures. Après cette période d'incubation, la transformation commence par l'apparition de ferrite ou de cémentite, suivant que l'acier est hypo- ou hypereutectoïde. Cette formation de ferrite ou de cémentite correspond à un enrichissement ou à un appauvrissement en carbone de l'austénite non transformée. Le phénomène se poursuit jusqu'au moment où le mélange atteint la teneur eutectoïde de 0,8 p. 100 de carbone. À partir de ce moment, le constituant formé est un agrégat de ferrite et de cémentite. La transformation continue progressivement jusqu'à ce qu'elle soit complète.

On a pu tracer ainsi, pour chaque acier, des diagrammes dits TTT (température, temps, transformation) sur lesquels figurent les courbes représentant le début et la fin de la transformation et, très souvent, celle qui correspond à 50 p. 100 d'austénite transformée. Sur la figure 2, on voit qu'à 700 0C la transformation commence, après environ 20 secondes, par un dépôt de cémentite ; après 40 secondes, la transformation produit ferrite et cémentite. Vers 300 secondes, il y a 50 p. 100 d'austénite transformée et la transformation est complète après une heure environ. Lorsque la température baisse, la transformation est de plus en plus précoce et de plus en plus rapide. Vers 450 0C, elle débute en moins d'une seconde ; elle est terminée en 3 à 4 secondes. Aux températures inférieures, elle est de nouveau plus lente.

Austénite : transformation

Austénite : transformation

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Les courbes 1 et 2 représentent en fonction de la température et du temps la transformation de l'austénite  1 correspond au début et 2 à la fin de la transformation, 3 à 50 % d'austénite transformée. A droite sont indiquées les duretés de l'acier transformé isothermiquement à chaque... 

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Au-dessous d'une certaine température désignée par MS – dans ce cas vers 190 0C –, la transformation prend un tout autre caractère. Elle n'est plus fonction du temps mais seulement de la température : à chaque température, une certaine fraction de l'austénite est transformée instantanément et il faut encore un abaissement de la température pour provoquer la transformation d'une nouvelle fraction.

Ce diagramme est donné à titre d'exemple. Les aciers alliés ont des diagrammes beaucoup plus complexes ; des zones de température peuvent apparaître dans lesquelles l'austénite est totalement stable.

L'intérêt de l'étude des transformations isothermes de l'austénite ne réside pas seulement dans l'observation de la cinétique de cette transformation. Elle réside aussi dans la caractérisation des structures obtenues à chacune des températures, structures qui, en raison de l'isothermie de la transformation, sont homogènes. La structure observée après un refroidissement continu est, au contraire, souvent beaucoup plus complexe : elle comporte un mélange des structures élémentaires.

Ces structures élémentaires sont les suivantes :

– Par transformation peu au-dessous du point Ac1, on obtient une structure dite perlite globulaire : il s'agit d'une dispersion de globules de cémentite dans la ferrite, la densité de ces globules étant d'autant plus grande que le pourcentage de carbone est lui-même plus élevé. C'est l'état d'équilibre normal entre ferrite et cémentite, vers lequel tend la structure par maintien suffisamment prolongé à une température élevée mais inférieure à Ac1. On la rencontre dans l'acier parfaitement recuit. Elle correspond à la plus faible dureté.

– À de plus basses températures, on a, à côté de la ferrite ou de la cémentite, une perlite lamellaire constituée par des lamelles alternées de cémentite et de ferrite. Ces lamelles sont d'autant plus fines que la température de transformation est plus basse. On a alors une structure dite troostite. La dureté de l'acier croît avec la finesse de cette structure perlitique.

– Aux températures encore plus basses – disons vers 400 0C – une nouvelle structure, dite bainite, apparaît, beaucoup plus fréquemment dans les aciers alliés que dans l'acier au carbone. Cette bainite a une apparence aiguillée, elle aussi d'autant plus fine que la température est plus basse. On distingue parfois une bainite supérieure, assez grossièrement aiguillée, et une bainite inférieure, qui ne peut plus être micrographiquement résolue. Là encore, la dureté croît en même temps que la finesse des constituants et de façon relativement considérable. Alors qu'après transformation à 650 0C (perlite lamellaire souvent grossière) la dureté, mesurée avec une machine Rockwell, est 25 dans l'échelle C (empreinte réalisée avec un cône en diamant), elle devient 59 à 250 0C, après transformation en bainite inférieure.

Le mode de transformation que nous venons de décrire s'arrête au point dit MS : les processus deviennent alors tout à fait différents et ne dépendent plus du temps, mais seulement de la température. Le constituant formé est alors la martensite, solution métastable de carbone dans une ferrite dont le réseau cubique est déformé et devenu quadratique. Cette martensite est le constituant des aciers trempés ; elle est d'autant plus dure que l'acier est plus riche en carbone. À chaque température, la martensite existe en présence d'une certaine quantité d'austénite non transformée, quantité d'autant plus faible que la température est plus basse. Il existe une température, dite Mf, à laquelle la transformation martensitique est complète ; mais cette température est souvent inférieure à la température ambiante. À moins de traitements spéciaux, il persiste alors, à côté de la martensite, une certaine quantité d'austénite dite résiduelle ; dans certains cas, cette austénite ne peut pas se transformer par refroidissement, même à très basse température, le point Mf étant inférieur aux températures atteintes.

La martensite est, par nature, instable. Il suffit d'un chauffage et d'un maintien vers 100 0C pour qu'elle rejette une très grande partie du carbone qu'elle tient en solution. À mesure de ce rejet, elle revient vers le réseau normal, cubique centré, de la ferrite. Le carbone ainsi précipité l'est sous forme d'un carbure spécial de formule voisine de Fe2C. À plus haute température, ce carbure se transforme lui-même en cémentite Fe3C.

L'étude de la transformation isotherme de l'austénite conduit ainsi à la connaissance des constituants pouvant en résulter et des domaines de température dans lesquels ils apparaissent. Mais, dans la pratique, les aciers subissent, le plus souvent, un refroidissement continu depuis l'instant où ils sont purement austénitiques. À moins que l'abaissement de la température ne soit assez lent pour que la transformation se fasse tout entière dans le domaine perlitique, ou assez rapide pour que toute transformation soit évitée avant le point MS, la structure sera plus complexe : on observera la superposition de constituants formés à mesure du passage dans les divers domaines. Ce phénomène est peu sensible avec les aciers au carbone, pour lesquels la transformation est rapide (quelques secondes vers 500 0C), mais devient prépondérant avec les aciers alliés, pour lesquels les structures sont souvent extrêmement complexes.

On a tracé des diagrammes analogues aux précédents, mais en fonction de refroidissements continus et non plus de maintiens isothermes. Les courbes de transformation sont alors assez notablement modifiées. Si on trace à travers ce diagramme une courbe correspondant à une vitesse déterminée de refroidissement, on relève la suite des transformations successives et la proportion des divers constituants. Ces diagrammes présentent un très grand intérêt pratique.

Facteurs influençant la structure

Les conditions de la transformation de l'austénite et, par conséquent, la structure d'un acier à la température ordinaire ne dépendent pas uniquement de la vitesse de refroidissement. Elles sont fonction, entre autres facteurs, de la composition de l'acier. En effet, un acier, même non allié, n'est pas seulement un alliage de fer et de carbone. Il contient une certaine quantité d'autres éléments, ajoutés volontairement au cours de l'élaboration pour répondre à certaines nécessités, ou provenant d'impuretés apportées par les matières premières et qui n'ont pas pu être entièrement éliminées. Il n'est pas rare que la teneur totale en ces éléments dépasse la teneur en carbone de l'acier.

Les éléments ajoutés volontairement sont essentiellement des désoxydants – manganèse, silicium, aluminium, etc. –, dont le rôle est de fixer l'oxygène dissous dans le métal liquide. D'autres éléments proviennent des matières premières ou de l'atmosphère des fours : azote, hydrogène, soufre, phosphore, etc. et, éventuellement, nickel, chrome ou autres éléments apportés par les riblons ou les ferrailles.

Tous ces éléments, qu'on appelle souvent « oligo-éléments » (à cause de leur faible concentration dans le mélange final), jouent, à côté du carbone, un rôle important lors de la transformation de l'austénite et agissent donc sur les propriétés de l'acier. Ils modifient les vitesses de transformation, dans un sens ou dans l'autre, mais généralement en les diminuant, c'est-à-dire que les courbes du diagramme TTT sont plus ou moins reportées vers la droite.

La présence d'éléments autres que le carbone est aussi importante en raison de leur action sur la position des courbes de transformation, donc sur les constituants de l'acier après un cycle de refroidissement. Mais elle se manifeste également par leur effet sur un caractère important d'un acier : sa grosseur de grain à l'état austénitique.

Les méthodes de la métallographie montrent qu'une solution solide métallique, ce qui est le cas de l'austénite, est constituée par une juxtaposition de grains ayant chacun une orientation cristalline déterminée. Cette caractéristique s'explique par les processus de germination et de croissance, le développement d'un cristal à partir d'un germe étant limité par celui des cristaux voisins. Entre ces « grains », une zone de transition désorientée constitue le « joint de grain ». La « grosseur de grain », mesurée par le nombre de cristaux dans un certain volume ou, plus simplement, par le nombre de cristaux rencontrés dans une coupe de section déterminée, joue un rôle important. On montre qu'elle dépend, d'une part, de la température à laquelle l'acier est chauffé et de la durée du maintien à cette température, d'autre part, d'un caractère inhérent à l'acier qui le rend plus ou moins sensible à un grossissement des grains pendant le chauffage, caractère qui est lié à la présence de certaines impuretés ou constituants de l'acier, tels que le nitrure d'aluminium, des oxydes ou des carbures peu solubles. On a montré, par exemple, qu'à un grain plus gros correspondait un déplacement vers la droite des courbes du diagramme TTT, donc une plus grande stabilité de l'austénite et une transformation plus lente.

Ainsi, de multiples facteurs agissent sur la vitesse de transformation de l'austénite et, par conséquent, sur la structure et les propriétés de l'acier. On retrouve, en particulier, l'influence de toute l'histoire de l'acier, celle des matières premières dont il provient, des détails du processus d'élaboration et des déformations et traitements qu'il a subis. Cela explique la complexité des phénomènes et le fait qu'ils ne soient connus que depuis peu de temps.

Traitements thermiques des aciers

Ces considérations sur la structure de l'acier, fonction des conditions de refroidissement, ont une grande importance pratique. Elles sont, en effet, à la base des divers traitements thermiques qui permettent d'attribuer à un acier un large éventail de propriétés.

Le plus simple de ces traitements est le recuit, qui comporte soit un chauffage au-dessus du point de transformation Ac1 – avec un maintien à cette température pendant une durée fonction de la massivité de la pièce à traiter – suivi d'un refroidissement contrôlé, soit un chauffage un peu au-dessous de ce point de transformation, avec un maintien prolongé à cette température, suivi d'un refroidissement qui peut être à l'air, par exemple. La vitesse du refroidissement, et la durée du maintien du chauffage, sont fonction de la composition de l'acier et de la massivité des pièces. Le recuit fait disparaître toutes les contraintes qui pouvaient subsister dans l'acier à la suite des déformations et des traitements thermiques ou mécaniques qu'il avait antérieurement subis. Il le ramène dans un état voisin de l'état d'équilibre avec une structure de cémentite, souvent globulaire, dispersée dans la ferrite. C'est l'état d'adoucissement maximal, qui est parfois le plus favorable pour l'usinage.

Un autre traitement thermique souvent pratiqué est la normalisation : celle-ci comporte un chauffage au-dessus du point de transformation Ac3, correspondant à la fin de la transformation de la ferrite en austénite, suivi d'un refroidissement à l'air. Il en résulte une homogénéisation de la structure et l'élimination d'une grande partie des contraintes, à condition que le refroidissement soit suffisamment lent pour ne pas développer des structures de trempe. La structure et les propriétés, à température ambiante, dépendent de la composition de l'acier, qui influe sur sa trempabilité, et des dimensions de la pièce, qui jouent sur sa vitesse de refroidissement. La normalisation permet cependant de mettre le métal dans un état bien reproductible, compte tenu de ces réserves.

Mais le durcissement par trempe est peut-être le traitement thermique le plus utilisé. Il consiste à chauffer l'acier au-dessus du point de transformation Ac3 – c'est ce que nous avons appelé l'austénitisation – et à le refroidir brusquement par immersion dans un liquide, eau ou huile, ou même simplement à l'air pour certains aciers (dits parfois autotrempants). L'alliage acquiert alors une grande dureté, d'autant plus grande qu'il est plus riche en carbone et/ou que sa teneur en éléments d'alliage est plus élevée (fig. 3). Rappelons que, dans cet état, la structure de l'acier est dite martensitique ; elle comporte parfois des restes d'austénite non transformée, ce qui explique la dureté moindre des aciers alliés très riches en carbone. Cette structure est fondamentalement instable, le carbone se trouvant en sursaturation dans la ferrite.

Acier trempé : dureté et teneur en carbone

Acier trempé : dureté et teneur en carbone

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La figure montre la variation de dureté de l'acier trempé en fonction de la teneur en carbone. On voit que la dureté est aussi accrue, dans une certaine mesure, par les éléments d'alliages. 

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La déformation du réseau cubique centré de la ferrite en un réseau quadratique est la cause de la dureté élevée de la martensite. Mais elle provoque également une fragilité, d'autant plus grande que la teneur en carbone est plus élevée. Le durcissement par trempe est donc accompagné d'une fragilisation. C'est pour cette raison que le traitement de trempe est habituellement suivi d'un revenu, qui est un chauffage avec maintien plus ou moins prolongé à une température supérieure au point de transformation Ac1. Ce revenu a pour effet un adoucissement avec, simultanément, une diminution de la fragilité. Il permet d'ajuster les caractéristiques de résistance et de ductilité de l'acier à celles qui conviennent pour l'emploi envisagé.

Les phénomènes se produisant au cours du revenu sont parfois très complexes. Dans le cas des aciers non alliés, la cémentite précipite puis se « coalesce » à mesure que la température s'élève ou que la durée du revenu s'accroît : la dureté diminue progressivement. En présence d'éléments d'alliage, la précipitation de carbures alliés autres que la cémentite complique beaucoup les phénomènes. Il peut même se produire, dans certaines zones de température, des durcissements secondaires. Il faut tenir compte, enfin, de la décomposition de l'austénite résiduelle éventuelle, soit au cours du revenu, soit pendant le refroidissement consécutif à ce traitement. Les conditions du revenu, c'est-à-dire la température atteinte et la durée du maintien, doivent être fixées, suivant le but visé, en tenant compte de la composition de l'acier et de cette complexité des phénomènes.

Il existe bien d'autres traitements thermiques pouvant être appliqués aux aciers, en particulier certaines variantes dans le processus même de la trempe : on peut, par exemple, immerger l'acier non pas dans un liquide froid mais dans un bain à température plus ou moins élevée et l'y maintenir un certain temps. On peut modifier ainsi les structures de trempe ou éviter des déformations et obtenir une grande variété de résultats.

Dans certains cas, ces traitements thermiques ne sont appliqués qu'à une partie d'une pièce d'acier, en général la surface, et sur une profondeur limitée. Cela peut être obtenu en chauffant la pièce partiellement, soit en la maintenant dans un four un temps insuffisant pour laisser la chaleur pénétrer jusqu'au centre, soit en appliquant des modes de chauffage particuliers qui n'intéressent que la surface (chalumeaux, chauffage par induction...).

D'autres traitements consistent à modifier superficiellement la composition de l'acier, par exemple en y incorporant du carbone (cémentation) ou de l'azote (nitruration) ou les deux éléments simultanément (carbonitruration).

On peut ainsi faire varier dans de très larges limites les propriétés des aciers en agissant sur les traitements thermiques qu'il est possible de leur faire subir. C'est là, très certainement, l'origine du développement extraordinaire de leurs utilisations.

Propriétés des aciers

L'évaluation des possibilités d'utilisation des divers aciers dans les états variables auxquels ils peuvent être amenés par des traitements se fait en déterminant un certain nombre de grandeurs relatives aux diverses propriétés du métal. Les plus courantes, sinon les plus importantes, se rattachent, d'une part, à la ténacité de l'acier, c'est-à-dire à la résistance opposée aux déformations, d'autre part, à la ductilité, c'est-à-dire à la capacité de se déformer sans se rompre, ces deux qualités étant dans une certaine dépendance.

Parmi les grandeurs les plus couramment déterminées, nous citerons d'abord la dureté, qui s'exprime comme une résistance à l'enfoncement. On mesure la profondeur de pénétration d'une bille, d'un cône ou d'une pyramide appliquée sur l'acier avec une force déterminée. La bille est en acier dur ou en carbure de tungstène (essai Brinell). Le cône (essai Rockwell) ou la pyramide (essai Vickers) sont en diamant. La force appliquée a plusieurs valeurs possibles, et il existe naturellement autant d'échelles de dureté que de valeurs de la charge, les duretés de métaux différents ne pouvant être comparées que si elles sont déterminées suivant la même méthode et avec la même charge. Des tables de correspondance approximative entre les échelles ont été établies. Bien qu'elles mettent en jeu des propriétés différentes du métal – résistance à la déformation, d'une part, capacité de durcissement par déformation (écrouissage), d'autre part –, les mesures de dureté sont très largement pratiquées, en raison de leur simplicité et du fait qu'elles n'entraînent pas de destruction de métal.

D'autres grandeurs très fréquemment utilisées sont celles que l'on obtient grâce à l'essai de traction. Cet essai consiste à soumettre une éprouvette d'acier à une charge croissant jusqu'à provoquer la rupture. On détermine ainsi une limite élastique, qui est la charge maximale que peut subir le métal sans subir une déformation permanente, et une charge de rupture, qui est la charge maximale que peut supporter l'éprouvette sans se rompre. Ces charges sont rapportées à la section initiale de l'éprouvette et exprimées en mégapascals (symbole : MPa ; 1 MPa = 10 bars). Dans l'essai de traction, on mesure aussi l'allongement de l'éprouvette au moment de la rupture, et la striction, qui est le rapport entre la section de l'éprouvette au niveau de la rupture et sa section initiale. La limite élastique et la charge de rupture expriment la ténacité de l'acier, tandis que l'allongement et la striction sont des mesures de la ductilité.

Ces grandeurs peuvent très largement varier. Si l'acier doux, le plus répandu, a une charge de rupture de l'ordre de 350 Mpa, il est très courant d'utiliser des aciers ayant des résistances à la rupture allant jusqu'à 1 500 MPa et au-delà. Pour des emplois spéciaux, on sait maintenant fabriquer des aciers dont la résistance dépasse 3 000 MPa. Les mêmes variations s'observent pour les caractéristiques de ductilité. Des aciers très résistants peuvent se rompre avec des allongements de 1 ou 2 p. 100, tandis qu'il n'est pas rare de trouver des aciers spéciaux ne se rompant qu'après des allongements de 50 à 60 p. 100. La striction subit des variations encore plus grandes.

On dispose ainsi, pour caractériser les aciers et pour calculer les conditions de leur utilisation, de grandeurs reflétant bien une partie notable de leurs propriétés. Ces grandeurs sont d'ailleurs souvent combinées dans les « indices de qualité ». Un indice utilisé pour les aciers au carbone réunit la charge de rupture R et l'allongement A dans la formule N = R+ 2,5 A. Comme, pour un acier donné, l'allongement diminue lorsque la résistance augmente, on a ainsi un indice assez caractéristique d'un acier, quel que soit, entre certaines limites, l'état dans lequel il se trouve.

Une autre grandeur, caractérisant la ductilité de l'acier et, plus particulièrement, sa résistance aux chocs, est la résilience, qui exprime le travail nécessaire pour rompre, par flexion sous l'effet d'un choc, une éprouvette portant une entaille de forme et de profondeur déterminées. Le travail nécessaire pour la rupture est exprimé en joules par centimètre carré de section. Si la résilience n'est pas une grandeur pouvant, comme la charge de rupture et la limite élastique, être introduite dans les calculs, elle n'en constitue pas moins une excellente caractéristique d'évaluation de l'acier. Nous noterons, en particulier, qu'elle varie largement suivant la position de l'éprouvette dans la pièce, c'est-à-dire suivant que l'éprouvette est prélevée parallèlement (L) ou perpendiculairement (T) aux « fibres » du métal. Le rapport L/T, qui peut varier de 1,1 à 3 ou 4, est une bonne mesure de l'hétérogénéité du métal et de ses propriétés directionnelles.

Si, par ailleurs, pour un acier donné, on étudie la variation de la résilience en fonction de la température d'essai, on observe une brusque variation de part et d'autre d'une certaine température. Au-dessus de celle-ci, on constate des valeurs relativement élevées de la résilience, avec un aspect de la cassure caractéristique d'un acier ductile. Au-dessous de cette température, les valeurs de la résilience sont plus faibles et l'aspect de la cassure correspond à un acier fragile. Cette température limitant les domaines de ductilité et de fragilité de l'acier est dite « température de transition » : elle est considérée comme un indice important de la qualité de l'acier, en particulier lorsque celui-ci doit être soumis à de basses températures. Elle est un indice du risque de propagation d'une fissure, donc du risque de rupture. Des essais plus sophistiqués développés en mécanique de la rupture permettent de déterminer des caractéristiques utilisables pour le calcul des structures.

Il existe bien d'autres grandeurs permettant de caractériser un acier et d'orienter son utilisation. On les détermine par des essais soit statiques, soit dynamiques, en mettant en jeu des contraintes soit uniaxiales, soit bi- ou triaxiales. D'où une grande variété d'essais dont certains sont établis en vue d'un emploi particulier. On peut citer les essais de fluage qui permettent de déterminer les propriétés d'un acier aux températures élevées (déformation en fonction du temps ou temps de rupture sous une charge déterminée), les essais de compression, de cisaillement, de flexion, d'emboutissage. Selon l'emploi de l'acier, les essais d'endurance sont intéressants : il est connu que les métaux soumis à des sollicitations alternées peuvent, par suite de phénomènes de fatigue, se rompre sous une charge très inférieure à la charge de rupture en traction. La connaissance de la limite d'endurance, c'est-à-dire de la sollicitation que supportera l'acier sans se rompre quel que soit le nombre d'alternances, a un intérêt certain. Il faut pourtant retenir que la rupture d'une pièce à la suite de phénomènes de fatigue doit être plus souvent attribuée à la pièce elle-même (forme, état de surface, etc.) qu'à la qualité de l'acier.

Des essais plus purement technologiques sont aussi pratiqués. Nous citerons ceux qui sont relatifs à une propriété importante de l'acier, sa capacité de trempe, ou trempabilité, qui exprime la possibilité d'obtenir par trempe une structure martensitique. Un acier à faible capacité de trempe devra être trempé énergiquement dans l'eau, et encore le résultat ne sera-t-il obtenu que pour des pièces de petites dimensions. À un accroissement de la trempabilité correspond une augmentation des dimensions pour lesquelles ce résultat est atteint ou le remplacement du refroidissement dans l'eau par une immersion dans des conditions moins brutales, dans l'huile par exemple. Un acier à forte trempabilité pourra même devenir martensitique après un simple refroidissement à l'air.

On conçoit l'importance de cette notion qui correspond en fait à la vitesse de transformation de l'austénite. La connaissance de la trempabilité est fondamentale pour l'établissement des conditions des traitements thermiques. Plusieurs essais pratiques ont été proposés. Le plus répandu est l'essai Jominy. On obtient une courbe qui est représentative de la capacité de trempe de l'acier et qui, dans certaines conditions, permettra d'évaluer la dureté en divers points d'une pièce trempée (fig. 4).

Essai Jominy

Essai Jominy

graphique

L'essai Jominy consiste à refroidir un cylindre de l'acier étudié par un jet d'eau calibré sur la face inférieure du cylindre. La dureté est ensuite mesurée le long des génératrices du cylindre. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Désignation des aciers

Depuis novembre 1992, les normes européennes définissent deux systèmes de désignation des aciers, l'un symbolique et l'autre numérique.

Désignation symbolique

La norme NF EN 10027-2 définit la désignation symbolique.

Les qualités (ou nuances) d'acier sont réparties en deux groupes principaux :

les aciers désignés à partir de leur emploi et de leurs caractéristiques mécaniques et physiques

La désignation de la nuance comprend :

– un symbole définissant l'emploi de l'acier ;

– la valeur spécifiée d'une caractéristique mécanique (limite d'élasticité ou résistance à la traction).

Par exemple, la nuance S235 correspond à un acier de construction (symbole S) ayant une limite d'élasticité de 235 MPa minimum.

les aciers désignés à partir de leur composition chimique

La désignation des aciers fait appel aux symboles chimiques des éléments d'addition.

On distingue :

– des aciers non alliés (à l'exclusion des aciers de décolletage) avec une teneur moyenne en manganèse inférieure à 1 p. 100. Exemple : C35 (acier non allié à 0,35 p. 100 de carbone).

– des aciers non alliés avec une teneur en manganèse supérieure ou égale à 1 p. 100, aciers non alliés de décolletage et aciers alliés (à l'exclusion des aciers rapides) dont la teneur de chaque élément d'alliage est inférieure à 5 p. 100. Exemple : 34 CrMo4 (acier à environ 0,35 p. 100 de carbone, contenant du chrome et du molybdène).

– des aciers alliés (à l'exclusion des aciers rapides) dont la teneur en au moins un des éléments d'alliage est supérieure ou égale à 5 p. 100.

– des aciers rapides.

Désignation numérique

Ce système de numérotation attribue un numéro de matière à chaque nuance d'acier. Le chiffre 1 suivi d'un point indique qu'il s'agit d'un acier. Les deux digits suivants correspondent au numéro de groupe d'acier et les deux derniers digits au numéro d'ordre de chaque nuance dans son groupe.

Aciers alliés

Les aciers alliés se distinguent des aciers non alliés par la présence de certains éléments d'alliage (cf. tableau).

Aciers alliés et non alliés

Aciers alliés et non alliés

tableau

Aciers alliés et non alliés. Délimitation entre les aciers non alliés et les aciers alliés (Norme NF EN 10020). 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Les éléments d'alliage agissent sur la structure de l'acier et modifient par là certaines de leurs propriétés, mais ils peuvent aussi attribuer à l'acier des propriétés entièrement nouvelles.

Chacun de ces éléments se caractérise par une tendance dominante soit à rester dissous dans la ferrite, soit à former avec le carbone un carbure analogue à la cémentite, ou de composition très différente. Comme l'acier ordinaire, les aciers alliés ont, le plus souvent, une structure à deux phases – ferrite et carbure – plus ou moins séparées : l'élément d'alliage se retrouve dans l'une ou l'autre de ces phases, parfois même dans les deux.

L'élément le plus fréquemment utilisé est le chrome. On le retrouve à la fois dans la ferrite et dans les carbures. Il agit, d'une part, sur les points de transformation de l'acier, d'autre part, sur la vitesse à laquelle se transforme l'austénite au cours du refroidissement.

Le point de transformation α → γ au chauffage est peu modifié : il est d'abord abaissé par des teneurs en chrome allant jusqu'à 8 p. 100, puis relevé au-delà. En revanche, le point de transformation γ → δ est régulièrement abaissé, de sorte que l'intervalle entre les deux points – c'est-à-dire le domaine de température où l'austénite est stable – diminue constamment lorsque la teneur en chrome augmente, jusqu'au moment où il disparaît ; l'acier ne passe plus, lors du chauffage, par l'état austénitique. Cela se produit pour une teneur en chrome voisine de 13 p. 100 pour les aciers très peu riches en carbone, et seulement de 30 p. 100 lorsque la teneur en carbone atteint 0,4 p. 100. La figure 5 schématise ce phénomène. Les éléments qui, comme le chrome, limitent ou empêchent la formation de l'austénite sont appelés alphagènes, et les aciers qui ne subissent pas de transformation au chauffage et restent toujours à l'état α sont dits ferritiques.

Action du chrome sur l'austénite

Action du chrome sur l'austénite

graphique

Le chrome a pour effet de diminuer le domaine d'existence de l'austénite qui disparaît totalement au-dessus d'une certaine teneur en chrome. La figure correspond au cas d'aciers peu carbonés. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Cette absence de transformation a une conséquence importante : ne passant pas par l'état austénitique, l'acier ne peut pas subir un durcissement par trempe. Il n'y a, en même temps, aucune possibilité de régénération de la structure autrement que par une déformation mécanique à chaud.

Une deuxième action du chrome se manifeste par un ralentissement des transformations de l'austénite pendant le refroidissement. Cela correspond à une augmentation de la trempabilité : le domaine de transformation martensitique pourra être atteint avec de plus faibles vitesses de refroidissement. Des aciers au chrome pourront être trempés à l'huile ou même à l'air.

Le chrome augmente également la résistance au revenu : lorsque l'acier, après la trempe, est soumis à un revenu, il s'adoucit plus lentement et à de plus hautes températures. La figure 6 donne un exemple de ce comportement qui est lié à une précipitation durcissante de carbures de chrome et, éventuellement, à la transformation de l'austénite résiduelle. Les carbures précipités peuvent être du type cémentite, dans laquelle le chrome remplace une partie du fer, ou avoir les compositions Cr7C3 ou Cr23C6.

Aciers au chrome et aciers ordinaire : dureté

Aciers au chrome et aciers ordinaire : dureté

graphique

Pour une même température de revenu, les aciers au chrome gardent une dureté très supérieure aux aciers ordinaires. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Enfin, une importante propriété du chrome est de donner à l'acier une bonne résistance à la corrosion. Pour des teneurs supérieures à 10,5 p. 100, le chrome provoque la formation d'une couche riche en oxydes à la surface de l'acier ; celle-ci le protège contre les attaques chimiques. Pour cette raison, le chrome est la base d'une très importante gamme d'aciers spéciaux et des aciers inoxydables.

Le nickel trouve également de très fréquents emplois dans les aciers alliés. Il présente deux différences essentielles avec le chrome : il se dissout dans la ferrite et ne forme pas de carbures ; il abaisse le point de transformation α → γ, mais non γ → δ, de sorte que le domaine d'existence de l'austénite est élargi. Ainsi, le nickel est le type des éléments dits gammagènes qui favorisent la formation d'austénite.

En même temps, le nickel augmente la stabilité de l'austénite et ralentit sa transformation pendant le refroidissement, donc augmente la trempabilité tout en abaissant la température MS à partir de laquelle se forme la martensite. Cette température peut devenir inférieure à la température ambiante, de sorte que l'acier reste austénitique à la température ordinaire. C'est ainsi qu'un acier contenant 0,2 p. 100 de carbone et 10 p. 100 de nickel est martensitique même avec un refroidissement très lent. Avec 25 p. 100 de nickel, il reste austénitique (fig. 7).

Aciers au nickel après refroidissement

Aciers au nickel après refroidissement

graphique

La figure indique les structures prises par les aciers au nickel après un refroidissement lent, en focntion des teneurs en carbone et en nickel. Avec des refroidissements rapides, les aciers contenant moins de 10 % de nickel ont aussi une structure martensitique. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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La figure 7 indique les structures prises par les aciers au nickel après un refroidissement lent, en fonction des teneurs en carbone et en nickel. Avec des refroidissements rapides, les aciers contenant moins de 10 p. 100 de nickel ont aussi une structure martensitique.

En plus de ces actions essentielles sur les structures des aciers, le nickel améliore la ductilité, surtout aux très basses températures. Il permet également d'obtenir des aciers ayant des propriétés particulières, telles qu'un très faible coefficient de dilatation, une faible variation du module d'élasticité ou une grande perméabilité magnétique.

La combinaison du chrome et du nickel ouvre aussi de larges possibilités : pour de faibles teneurs, on additionne les effets favorables sur la trempabilité, la résistance au revenu et la ductilité ; pour de plus fortes teneurs, on combine la résistance à l'oxydation et à la corrosion apportée par le chrome avec le caractère gammagène du nickel afin d'obtenir des aciers austénitiques inoxydables. Le choix judicieux des proportions de ces deux éléments permet l'obtention de diverses structures et la découverte d'une large gamme d'emploi.

Le silicium se rencontre dans tous les aciers, avec de faibles teneurs, de l'ordre de 0,2 à 0,5 p. 100 : il est alors utilisé comme désoxydant. Il intervient parfois comme élément d'alliage avec de plus fortes teneurs, soit pour améliorer la limite élastique, soit pour accroître la résistance à l'oxydation, soit encore dans des aciers à propriétés particulières (haute perméabilité magnétique). Comme le chrome, c'est un élément alphagène, mais il ne forme pas de carbures.

Le manganèse intervient également dans tous les aciers comme désoxydant. Dans les aciers alliés, il se comporte, dans un certain sens, comme le nickel ; il augmente la trempabilité, permet d'obtenir des aciers à structure austénitique stable. Mais il participe à la formation de carbures et se trouve dans la cémentite, où il remplace une partie du fer.

Le molybdène se rencontre dans beaucoup d'aciers alliés. Comme le chrome, il est alphagène et, plus que lui encore, tend à former des carbures. Il augmente la trempabilité.

Avec le tungstène et le vanadium, les caractères alphagène et formateur de carbures sont encore accentués. Ces éléments sont fréquemment utilisés pour obtenir des aciers durs et résistants.

Le titane et le niobium sont employés essentiellement en raison de leur très grande affinité pour le carbone, surtout lorsqu'il s'agit de fixer cet élément sous une forme stable. Ce sont aussi de bons désoxydants.

L'aluminium est avant tout un puissant désoxydant. Il se rencontre plus rarement comme élément d'alliage dans des cas particuliers où il intervient dans certains processus de durcissement.

Précisons que le titane, le niobium et l'aluminium forment facilement des nitrures avec l'azote que contient le métal. Ces nitrures bloquent les joints de grains austénitiques lors d'un traitement d'austénitisation à haute température, et inhibent donc leur croissance, ce qui a des conséquences bénéfiques sur la finesse des produits de transformation γ → α, donc sur les propriétés mécaniques des structures obtenues. Ce contrôle de la taille du grain γ par des nitrures est largement utilisé dans la pratique industrielle. On sait aussi faire précipiter les nitrures de titane et de niobium au cours de traitements thermiques ou thermomécaniques afin de mettre en œuvre un durcissement par précipitation.

Le cobalt est utilisé dans des aciers très spéciaux dont il modifie certains processus structuraux.

Le bore, ajouté à l'acier en quantité extrêmement faible, accroît la trempabilité et, dans des aciers très spéciaux, améliore la résistance mécanique et la ductilité aux températures élevées.

Le soufre, le plomb, le tellure augmentent sensiblement la facilité d'usinage et permettent d'accroître les vitesses de coupe.

Le phosphore et le cuivre, en petites proportions, améliorent la résistance de l'acier à l'oxydation par l'air.

Le plus souvent, les aciers alliés contiennent deux ou trois éléments d'alliage ou plus encore. Ces teneurs ajoutées peuvent constituer de 1 p. 100 jusqu'à parfois 30 ou 40 p. 100 du poids de l'alliage.

Diverses catégories d'aciers alliés

On conçoit qu'un très grand nombre d'aciers alliés puisse être imaginé. Dans la pratique, on en fabrique couramment quelques centaines. On peut les classer, pour plus de clarté, en quelques groupes suivant leurs utilisations principales. On distinguera :

– des aciers de construction métallique et mécanique, très largement répandus dans la fabrication des dispositifs mécaniques, dans les structures en acier des bâtiments et des ouvrages d'art, dans la construction de machines, les industries automobile et aérospatiales, etc. ;

– des aciers à outils, qui se distinguent par une grande dureté et une bonne résistance à l'usure ; ils sont utilisés pour des outillages de toute espèce et pour l'usinage ;

– des aciers inoxydables, résistant aux attaques chimiques par l'atmosphère ou par les différents réactifs, auxquels se rattachent des aciers dits réfractaires ayant une bonne résistance chimique et mécanique aux températures élevées.

Ces différents aciers alliés constituent une part croissante de la production sidérurgique mondiale.

Aciers de construction

On peut utiliser comme aciers de construction de simples aciers au carbone mais aussi, très souvent, des aciers alliés dès qu'il s'agit de pièces très sollicitées (les éléments d'alliage les plus fréquents sont le manganèse, le chrome, le nickel, le molybdène). Pour répondre aux exigences croissantes des mécaniciens, on a été conduit à élaborer un assez grand nombre d'aciers de construction qui permettent de couvrir un large éventail de caractéristiques mécaniques et de répondre à des conditions d'utilisation très diverses.

Propriétés générales

Les propriétés auxquelles on s'attache sont, d'une part, les caractéristiques mécaniques déterminées dans des conditions standards par les essais de traction et de flexion par choc (limite élastique, charge de rupture, allongement, striction et résilience), d'autre part, la trempabilité, telle qu'on peut l'exprimer par la courbe Jominy (fig. 4). Un acier de construction sera donc défini par sa composition chimique, par ses caractéristiques mécaniques et, si nécessaire, par sa trempabilité. Dans le cas d'un acier destiné à recevoir un traitement thermique après mise en œuvre, les caractéristiques dépendent à la fois de la dimension des pièces, de la trempabilité de l'acier et des conditions de mise en œuvre. Elles peuvent être très différentes de celles qu'indiquent les tables et qui correspondent à des conditions standards. La ductilité peut être fonction de l'importance des déformations subies par le métal depuis le demi-produit d'origine (corroyage).

Le choix entre les diverses nuances et qualités s'exerce donc en fonction des caractéristiques demandées aux pièces pour résister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises. On fait intervenir aussi leur dimension et leur forme, qui imposent le mode de trempe et la trempabilité nécessaire. Une pièce de forme compliquée ne peut, sans aléas importants (tapures, déformations), être refroidie brusquement : cela élimine la possibilité d'une trempe à l'eau ou, parfois même, à l'huile. Il faudra choisir un acier à haute trempabilité. Dans d'autres cas, seule une couche superficielle devra être durcie : on pourra se contenter d'un acier beaucoup moins trempant.

Principales nuances d'aciers de construction

La très grande variété des pièces et des conditions de travail auxquelles elles sont soumises entraîne l'existence d'un grand nombre de nuances et qualités d'aciers de construction. En fait, on peut distinguer trois grandes catégories : les aciers de construction soudables, les aciers de construction pour traitements thermiques et les aciers à caractéristiques spéciales.

Aciers de construction soudables

Utilisés sous forme de produits plats (tôles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses industries, notamment dans la construction métallique (bâtiments, ouvrages d'art, structures pétrolières offshore, réservoirs...), la construction navale, la chaudronnerie, l'industrie du tube, la construction de gros équipements..., les aciers de construction soudables doivent non seulement présenter les niveaux de caractéristiques mécaniques – en particulier de caractéristiques de traction et de résistance à la rupture fragile – qui sont requis pour les utilisations envisagées, mais ils doivent encore pouvoir être soudés dans des conditions techniquement et économiquement satisfaisantes. Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la composition chimique, notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en éléments qui augmentent la trempabilité, un compromis est nécessaire qui sera d'autant plus difficile à trouver que le niveau des exigences sera plus élevé. Malgré cela, c'est sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progrès les plus considérables ont été réalisés au cours des dernières décennies, grâce en particulier au développement des traitements thermomécaniques et à l'emploi d'éléments de microalliage.

Passerelle Simone-de-Beauvoir, Paris

Passerelle Simone-de-Beauvoir, Paris

photographie

Passerelle Simone-de-Beauvoir, sur la Seine, à Paris. Trente-septième pont (et quatrième piétonnier) de Paris, elle relie le parvis de la Bibliothèque nationale de France aux jardins de Bercy, ainsi que les quais François-Mauriac et de Bercy, et a été inaugurée le 13 juillet 2006. Conçue... 

Crédits : OTUA-Architecte, Cabinet Feichtinger

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Les exigences de plus en plus sévères des utilisateurs, correspondant pour les constructions soudées à des conditions d'utilisation de plus en plus difficiles et au désir d'abaisser les coûts de construction, posaient et posent d'ailleurs en permanence pour les aciers soudables le problème de l'amélioration de leurs propriétés, sans que leur soudabilité soit diminuée.

Une première possibilité consistait à limiter la teneur en carbone et à utiliser les éléments d'alliage classiques (manganèse, chrome, nickel, cuivre, molybdène), mais en teneurs faibles, n'excédant pas 0,7 p. 100. Toutefois, deux autres voies se sont finalement révélées beaucoup plus intéressantes :

– l'addition d'éléments de microalliage susceptibles de donner de fins précipités durcissants de carbures, nitrures ou carbonitrures, comme le niobium, le vanadium et le titane ;

– la recherche de moyens permettant d'obtenir un grain ferritique aussi fin que possible.

On savait par ailleurs que des aciers à structure partiellement ou totalement bainitique ou martensitique revenue pouvaient présenter des caractéristiques très intéressantes, mais, pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabilité, il fallait trouver des moyens permettant d'utiliser des compositions chimiques relativement peu chargées.

Les traitements thermomécaniques à hautes températures, notamment le laminage contrôlé, allaient permettre de résoudre ces problèmes et de développer de nouvelles familles d'aciers – contenant des éléments de microalliage, niobium, vanadium ou titane –, à caractéristiques très élevées, mais néanmoins facilement soudables.

Ce procédé connut rapidement un développement industriel important et, à l'heure actuelle, après diverses améliorations (abaissement de la température de réchauffage des brames avant laminage, abaissement des températures de fin de laminage, refroidissement accéléré après laminage...), plus de 50 p. 100 des tôles fortes sont fabriquées par laminage contrôlé. On est passé progressivement de nuances dont la limite élastique minimale ne dépassait pas 355 MPa à des nuances ayant des limites élastiques allant jusqu'à 690 MPa. L'utilisation conjointe d'éléments de microalliage et de schémas de laminage contrôlé de plus en plus performants a permis cette progression des caractéristiques sans conséquence fâcheuse pour la soudabilité.

Aciers de construction pour traitements thermiques

Les niveaux de caractéristiques mécaniques désirés sont obtenus, pour cette catégorie d'aciers, par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de traitement thermique des pièces.

Les différents groupes d'aciers de construction alliés sont, dans l'ordre croissant des trempabilités : les aciers au manganèse-chrome, les aciers au silicium, au silicium-chrome et au silicium-chrome-molybdène, les aciers au chrome, les aciers au chrome-molybdène, les aciers au chrome-vanadium, les aciers au nickel-chrome, les aciers au nickel-chrome-molybdène, et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdène.

Les aciers au carbone non alliés sont peu trempants ; ils ne seront utilisés que lorsque la trempe à l'eau est possible.

Les caractéristiques mécaniques qu'il est possible d'obtenir avec chacun de ces aciers sont nombreuses.

Aciers à caractéristiques spéciales

Les aciers précédents ne sont pas les seuls utilisés. La tendance actuelle est à la recherche de limites élastiques et de charges de rupture très élevées afin de répondre aux très fortes sollicitations exigées par les réalisations techniques avancées, aéronautiques et aérospatiales, en particulier. Un nouveau groupe d'aciers de construction dits aciers à haute résistance est né, pour lequel les charges de rupture, à l'état d'emploi, peuvent atteindre et dépasser 2 500 MPa. Ces résistances élevées sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel, soit par des traitements spéciaux comportant un « durcissement structural » provoqué par la précipitation de certains constituants, carbures ou composés intermétalliques, par exemple.

Le problème ne consistait pas seulement à accroître la résistance, mais, ce faisant, à conserver à l'acier une ductilité suffisante. On a cherché la solution de ce problème dans l'addition d'éléments comme le silicium. Ces éléments augmentent la résistance au revenu et permettent d'obtenir, par trempe et revenu à des températures suffisamment élevées, une bonne combinaison de résistance et de ductilité. Le vanadium et le molybdène ont été employés dans le même but. Des modes d'élaboration spéciaux, comme la fusion sous vide ou sous laitier électroconducteur, améliorent encore sensiblement la ductilité.

Dans d'autres aciers, on cherche à provoquer, dans une martensite relativement douce, la formation d'un précipité durcissant. C'est le cas des aciers dits maraging (la martensite se forme par refroidissement brutal après austénitisation ; puis, un traitement de vieillissement – aging, en anglais – fait précipiter les composés durcissants). Ces aciers contiennent, à côté de 18 p. 100 de nickel, du cobalt et des additions de molybdène et de titane : le précipité durcissant est alors un composé intermétallique de nickel avec le molybdène et le titane.

Dans un autre ordre d'idées, on a procédé à la recherche d'aciers conservant une bonne ductilité aux basses températures. De tels aciers sont nécessaires dans l'industrie du froid, en particulier pour le transport des gaz liquéfiés. Un mode d'élaboration spécial appliqué aux aciers au carbone permet d'avoir une bonne ductilité jusque vers — 45 0C. C'est la limite d'utilisation de ces aciers. Pour de plus basses températures, on doit prendre des aciers spéciaux contenant tous du nickel. Une addition de 2,25 p. 100 de nickel permet d'utiliser l'acier jusque vers — 60 0C ; avec 3,5 p. 100 de nickel, on peut descendre à — 100 0C ; avec 9 p. 100 de nickel, la température limite est — 195 0C. Ce dernier acier est employé, en particulier, pour la construction des réservoirs permettant le transport du gaz naturel liquéfié. Pour les températures encore inférieures, on doit avoir recours aux aciers austénitiques chrome-nickel (cf. Aciers inoxydables).

Aciers à outils

Désignation

La nouvelle normalisation prend en compte quatre groupes de nuances :

– 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 outils rapides.

Les aciers à outils pour travail à froid sont des aciers alliés ou non alliés destinés aux applications dans lesquelles la température de surface est généralement inférieure à 200 0C.

Les aciers à outils pour travail à chaud sont des aciers alliés ou non alliés destinés aux applications dans lesquelles la température est généralement supérieure à 200 0C.

Les aciers à outils rapides sont des aciers utilisés principalement pour l'usinage et le formage et qui, par leur composition chimique, possèdent la dureté et la résistance après trempe la plus élevée à haute température, jusqu'à 600 0C.

Aciers à outils non alliés

La règle de désignation est la suivante :

Avec la signification suivante :

C = Acier au carbone

nnn = 100 x teneur en carbone

U = précise qu'il s'agit d'un acier à outils

Par exemple, l'appellation C120U indique qu'il s'agit d'un acier contenant 1,20 p. 100 de carbone et destiné à l'outillage.

Aciers à outils alliés

a) Dont la teneur en chaque élément d'alliage est inférieure à 5 p. 100

Avec la signification suivante :

nnn = 100 x teneur en carbone

a,b,... = symboles chimiques indiquant les éléments d'alliage caractérisant l'acier.

m = nombre représentant la teneur moyenne (pourcentage), multipliée par les facteurs suivants :

Par exemple, l'appellation 55NiCrMoV8 indique qu'il s'agit d'un acier contenant 0,55 p. 100 de carbone, 2 p. 100 de Ni, ainsi que du chrome, du molybdène et du vanadium.

b) Dont la teneur en un des éléments d'alliage dépasse 5 p. 100

Avec la signification suivante :

X indique que l'un, au moins, des éléments d'alliage est en quantité supérieure à 5 p. 100

nnn = 100 x teneur en carbone

a,b,... = symboles chimiques des éléments d'alliages

m-m = nombres séparés par un trait d'union représentant la teneur moyenne (pourcentage) en éléments, arrondie à l'unité la plus proche.

Par exemple, l'appellation X100CrMoV5 indique qu'il s'agit d'un acier contenant 1 p. 100 de carbone, 5 p. 100 de chrome ainsi que du molybdène et du vanadium.

Aciers à outils rapides

Avec la signification suivante :

HS est le symbole des aciers rapides (high speed)

Chiffres :

– trois chiffres donnant les teneurs moyennes en W, Mo, V dans cet ordre pour les aciers sans cobalt ;

– quatre chiffres donnant les teneurs moyennes en W, Mo, V, Co dans le même ordre pour les aciers au cobalt ;

– le chrome et le carbone sont omis dans le cas où deux nuances se différencient uniquement par la teneur en carbone ; le symbole C placé en fin de « désignation abrégée » permet de distinguer la variante à teneur en carbone élevée.

Par exemple, l'appellation HS 18-0-1 indique qu'il s'agit d'un acier rapide contenant 18 p. 100 de tungstène, 0 p. 100 de molybdène, 1 p. 100 de vanadium et 4 p. 100 de chrome. L'appellation HS 6-5-2-5 indique qu'il s'agit d'un acier rapide contenant 6 p. 100 de tungstène, 5 p. 100 de molybdène, 2 p. 100 de vanadium, 5 p. 100 de cobalt et 4 p. 100 de chrome.

Aciers pour travail à froid

Aciers peu déformables

On atténue les déformations en augmentant la trempabilité de l'acier, ce qui permet de remplacer la trempe à l'eau par une trempe moins énergique, à l'huile ou même à l'air, diminuant ainsi les contraintes dues à un refroidissement trop rapide et les déformations qui en résultent. Cette augmentation de trempabilité est très souvent obtenue par l'addition de manganèse.

Aciers de bonne ductilité

La bonne ductilité est obtenue en diminuant la teneur en carbone et en ajoutant des éléments qui augmentent la capacité de trempe et la résistance au revenu.

Aciers résistant à l'abrasion

La résistance à l'abrasion est obtenue essentiellement par une addition de chrome ou de tungstène et, éventuellement, de molybdène et vanadium. On peut distinguer les aciers qui doivent être trempés à l'eau de ceux dont la capacité de trempe a été améliorée et qui peuvent être trempés à l'huile ou même à l'air.

L'acier 100Cr6 est un des plus utilisés, en particulier pour la fabrication des roulements à billes ou à aiguilles et de nombreux outils. Mais son élaboration exige de grandes précautions.

Aciers pour travail à chaud

Aciers de bonne ductilité

Ce sont des aciers moyennement alliés et de teneur en carbone de 0,3 à 0,5 p. 100. Ils contiennent du molybdène, du tungstène ou du vanadium qui donnent une bonne résistance à l'échauffement ; les quantités de ces éléments ne sont pas suffisantes pour entraîner la fragilité.

Ces aciers sont très couramment employés pour la fabrication de matrices pour forgeage à chaud et pour des outillages de filage des métaux non ferreux.

Aciers de ductilité moyenne

Ces aciers, plus riches que les précédents en éléments d'alliage, ont une dureté à chaud plus grande ; mais ils sont un peu plus sensibles aux chocs. Ils conviennent pour le travail à des températures plus élevées. Leur dureté après trempe et revenu à 550 0C est de l'ordre de 50 à 55 RC. Ils peuvent être trempés à l'huile ou, pour certains, à l'air.

Aciers résistants à l'abrasion. Aciers à coupe rapide

Ces aciers doivent être considérés comme travaillant à chaud par suite de l'échauffement produit par le frottement du copeau sur l'arête de l'outil de coupe. La température atteint alors, et peut dépasser, 500 0C. Des additions de tungstène, molybdène et vanadium leur donnent à la fois la résistance à l'échauffement et, par la formation de carbures très durs, la résistance à l'abrasion. Une addition de chrome assure une bonne trempabilité. Dans certains cas, une addition de cobalt améliore la dureté à chaud.

Ils ont tous une structure à « lédeburite », c'est-à-dire qu'à température élevée ils contiennent des carbures insolubles. Ce sont ces carbures, auxquels s'ajoutent ceux qui sont précipités au cours du revenu, qui assurent la résistance à l'abrasion. Ils peuvent être trempés à l'huile ou à l'air, mais après un chauffage à température très élevée, de 1 200 à 1 300 0C suivant la nuance. Le revenu se fait entre 550 et 600 0C.

Aciers inoxydables

Il existe une assez large gamme d'aciers dits inoxydables : les plus alliés peuvent résister à l'attaque par des réactifs très sévères, tels que les acides chlorhydrique ou nitrique concentrés.

Le chrome est l'élément d'alliage essentiel de tous ces aciers et c'est lui qui leur attribue leur caractère inoxydable. Un acier est dit inoxydable s'il contient au moins 10,5 p. 100 de chrome. D'autres éléments, comme le nickel et le molybdène, agissent sur la structure, tandis que le titane ou le niobium jouent un rôle important pour la résistance à la corrosion.

Les aciers inoxydables ont de très nombreux emplois non seulement dans l'industrie chimique mais encore dans tous les domaines de l'activité humaine : transports (chemin de fer, automobile, aéronautique), industrie nucléaire, construction, appareils ménagers notamment.

Différents types d'aciers inoxydables

Suivant les teneurs en divers éléments d'alliage, on distingue divers types d'aciers inoxydables, essentiellement en fonction de leur structure.

Aciers inoxydables martensitiques

Ils contiennent de 12 à 16 p. 100 ou de 16 à 20 p. 100 de chrome avec, éventuellement, addition de 2 à 4 p. 100 de nickel. Les teneurs en carbone peuvent être comprises entre 0,1 p. 100 et 1 p. 100. Comme pour les aciers moins alliés, leur structure se modifie au-delà d'une certaine température et devient alors austénitique. Lors du refroidissement, cette austénite se transforme en martensite : l'acier prend la trempe. Dans cet état, il est plus ou moins dur suivant sa teneur en carbone. Un revenu est généralement fait, après la trempe, pour améliorer la ductilité. Ces aciers ont alors une résistance mécanique (charge de rupture) supérieure à 800 MPa. Elle peut être beaucoup plus élevée pour les aciers très riches en carbone, mais au détriment de leur ductilité. De plus, en raison de leur teneur en chrome, ces aciers ont une forte trempabilité.

Ces aciers sont souvent choisis autant pour leurs propriétés mécaniques que pour leur résistance à la corrosion. Ils sont employés, en particulier, dans les aubages de turbines à vapeur, pour des pièces mécaniques en coutellerie et pour les instruments de chirurgie.

Aciers inoxydables ferritiques

Ils contiennent de 12 à 30 p. 100 de chrome. Leur structure reste celle du fer α à toutes les températures. Ces aciers ne peuvent donc pas devenir martensitiques par chauffage et refroidissement. Leurs caractéristiques mécaniques sont beaucoup moins élevées que celles des aciers inoxydables martensitiques. En outre, ils sont sensibles à des « fragilisations » lorsqu'ils sont chauffés dans certaines zones de température. Des précautions doivent être prises lors de leur mise en œuvre, en particulier pour le soudage.

En revanche, leur résistance à la corrosion est très améliorée. Ils se comportent bien dans l'acide nitrique dilué (2HNO3, 3H2O) jusqu'à 60 à 70 0C, dans certains acides organiques, au contact des produits alimentaires, dans les atmosphères rurales et urbaines. Des alliages à 15-18 p. 100 de chrome sont employés en particulier pour la décoration et la fabrication des ustensiles ménagers. Les aciers à 25-30 p. 100 de chrome résistent bien à l'oxydation et à la sulfuration à haute température, ce qui conditionne leurs principaux emplois.

Aciers inoxydables austénitiques

Ils doivent leur structure à la présence d'au moins 8 p. 100 de nickel à côté de 18 à 20 p. 100 de chrome. Comme les aciers inoxydables ferritiques, ils n'ont pas de point de transformation et leurs propriétés mécaniques ne peuvent pas être améliorées par un traitement de trempe. En revanche, ils ne sont pas sensibles aux mêmes phénomènes de fragilisation et sont parfaitement soudables. Ces aciers sont amagnétiques.

Aciers inoxydables austéno-ferritiques

Ils contiennent en général plus de 22,5 p. 100 de chrome, 4 à 8 p. 100 de nickel et parfois du molybdène. Leur structure est généralement constituée de 50 p. 100 de ferrite et 50 p. 100 d'austénite. Leur limite d'élasticité atteint 550 MPa. Ils sont souvent employés pour les constructions offshore, dans les milieux très agressifs (eau de mer, papeteries, ...).

Autres types d'aciers inoxydables

Pour les applications où des limites élastiques et des charges de rupture élevées sont recherchées, on peut utiliser des aciers inoxydables dits à durcissement structural. Dans une structure martensitique ou austénitique, la présence de certains éléments – titane, niobium ou aluminium, par exemple – permet de provoquer une précipitation de carbures ou de composés intermétalliques qui entraînent un durcissement parfois considérable. Des limites élastiques atteignant 1 500 MPa peuvent être obtenues avec des aciers dont la résistance à la corrosion n'est pas très inférieure à celle des aciers inoxydables austénitiques contenant 18 p. 100 de chrome et 10 p. 100 de nickel. Après traitement de durcissement, ils ont tous une structure martensitique, magnétique.

Autres éléments d'alliage

Les additions de titane ou de niobium permettent d'éviter la formation de carbures de chrome et donc d'améliorer la résistance des aciers à la corrosion par piqûres. L'ajout de soufre ou de sélénium facilite l'usinage. L'addition de molybdène, avec des teneurs au moins égales à 2 p. 100, améliore la résistance à la corrosion, en particulier en présence d'acide sulfurique, de chlorures et d'acides organiques. On peut encore apporter une amélioration grâce à des quantités plus importantes d'éléments d'alliage.

Corrosion des aciers inoxydables

Malgré leur résistance dans de nombreux milieux « agressifs », les aciers inoxydables peuvent être sensibles à certaines formes de corrosion, qu'il est important de connaître.

L'une des plus importantes est la corrosion intergranulaire, qui peut provoquer une véritable désagrégation du métal par suite de l'attaque sélective des joints de grains (espaces entre les grains). À la suite de certains traitements thermiques, une précipitation de carbures de chrome entraîne un appauvrissement local en chrome au-dessous de 10,5 p. 100, de la teneur nécessaire pour assurer la protection naturelle des aciers inoxydables.

Des maintiens, même très courts, entre 400 et 800 0C rendent l'acier sensible à cette attaque particulière : c'est ce qui peut se passer, par exemple, dans les zones voisines d'un cordon de soudure. En revanche, cette attaque ne se produit pas lorsque l'acier a été refroidi rapidement depuis une température supérieure à 1 100 0C. Lorsqu'un tel traitement thermique n'est pas possible, on doit utiliser des nuances dans lesquelles la précipitation de carbures de chrome ne peut pas se produire en raison d'une très faible teneur en carbone, ou par suite de la fixation du carbone par un élément ayant une très grande affinité pour lui, tel que le titane ou le niobium.

La corrosion par piqûres est une attaque très localisée provoquée par les réactifs chlorurés (tels que l'eau de mer, les sels de déneigement). Elle ne se produit pas ou elle est très atténuée avec les aciers austénitiques contenant du molybdène.

La corrosion sous tension se manifeste par la rupture de l'acier soumis simultanément à une contrainte mécanique d'extension et à une attaque chimique. Cette corrosion se produit essentiellement en présence de chlorures et il suffit parfois de quantités extrêmement faibles pour qu'elle apparaisse. L'élimination des contraintes et l'augmentation de la teneur en nickel jusqu'au-delà de 40 p. 100 constituent de bons remèdes contre cette attaque. L'addition de silicium (de 3 à 4 p. 100) est efficace dans beaucoup de cas.

Résistance des aciers inoxydables dans divers milieux

Les principales formes de corrosion des aciers inoxydables sont des corrosions dites localisées. Deux paramètres définissent la résistance à la corrosion des aciers inoxydables, leur composition chimique et leur aspect de surface. Plus leur rugosité est élevée, plus les risques de corrosion sont importants.

En atmosphère non agressive, les aciers inoxydables ferritiques conviennent parfaitement. Ils sont largement utilisés pour l'électroménager, la décoration intérieure.

En environnement rural, les aciers inoxydables austénitiques dits 18-10 peuvent être utilisés.

Pour les milieux très agressifs, seuls les aciers inoxydables austénitiques contenant du molybdène ou les aciers inoxydables austéno-ferritiques peuvent convenir.

La résistance à la corrosion sera améliorée si l'acier est peu rugueux et s'il est régulièrement rincé à l'eau douce.

Aux températures élevées, les problèmes sont un peu différents parce que le métal doit non seulement résister aux attaques chimiques par l'air ou les gaz de combustion, mais encore ne pas subir de déformations prohibitives : c'est alors le domaine d'un autre groupe d'aciers dits réfractaires.

Aciers réfractaires

Lorsque des pièces d'acier sont maintenues sous charge pendant des temps assez longs, on constate leur déformation progressive. Ce phénomène de viscosité, appelé fluage, est nul ou négligeable à la température ambiante ou aux températures peu élevées, inférieures par exemple à 300 0C. Mais il faut en tenir compte aux températures supérieures, car son importance croît lorsque la température augmente. Pour un acier donné et à une température donnée, la vitesse de déformation, dite vitesse de fluage, d'abord grande, diminue assez vite, puis reste constante pendant un temps plus ou moins long. Elle croît ensuite jusqu'à aboutir à la rupture de la pièce.

Ces observations ont conduit, pour les emplois aux températures élevées, à rechercher des aciers dont la vitesse de fluage soit aussi faible que possible, compatible, en tout cas, avec les déformations admissibles pour la machine ou le matériel. Une classe d'aciers a été créée, celle des aciers réfractaires.

Les aciers réfractaires sont caractérisés, pour chaque température et chaque charge, soit par la vitesse de fluage pendant la période où elle est constante, soit par la déformation maximale au bout d'un temps donné, soit par le temps écoulé jusqu'à la rupture. Très souvent, on exige que dans des conditions données le métal ne subisse pas un allongement supérieur à x p. 100 (0,1 ou 1 p. 100 par exemple) au bout de mille, dix mille ou cent mille heures.

Pour les températures dépassant 500 0C, une autre considération doit intervenir : la résistance à l'oxydation par l'air. Ce résultat est obtenu grâce à des additions de chrome, et éventuellement de niobium, qui d'ailleurs améliore aussi la résistance au fluage.

Les aciers réfractaires sont classés suivant le domaine de température dans lequel ils peuvent être utilisés.

Jusqu'à 400 0C, les aciers au carbone non alliés conviennent mais il faut tenir compte, dans les calculs, de la réduction de la limite élastique. Celle-ci, par exemple, passe, pour un acier donné, de 350 MPa à la température ordinaire à 180 MPa à 400 0C, soit une réduction de 50 p. 100. Les phénomènes de fluage sont encore peu sensibles. À partir de 400 0C, au contraire, ceux-ci deviennent prépondérants et on doit rechercher des aciers alliés.

Jusqu'à 500 0C, éventuellement 550 0C, on utilise des aciers relativement peu alliés. Ils sont utilisés notamment pour les appareils à pression fonctionnant à chaud, comme les chaudières ou les tubes et tuyauteries.

D'autres aciers, contenant à la fois du chrome, du molybdène et du vanadium (1-1-0,2 p. 100 ou 1,25-0,5-0,2 p. 100) sont également utilisés pour les mêmes emplois mais surtout pour de grosses pièces de forge (rotors de turbines ou de compresseurs), pour la boulonnerie à chaud, etc. Pour tous ces aciers, la limite d'emploi est 550 0C. Mais, déjà à cette température, l'oxydation par l'air, la vapeur ou les gaz de combustion devient prohibitive pour les emplois de très longue durée. On doit recourir à des aciers à plus forte teneur en chrome.

De 550 0C à 600 0C, on utilise des aciers à 5 p. 100 ou à 12 p. 100 de chrome. L'acier à 5 p. 100 de chrome, avec généralement des additions de molybdène et de vanadium, est utilisé dans l'industrie pétrolière : il résiste très bien à l'hydrogène et aux hydrocarbures sous pression. À 550 0C, la charge de rupture au bout de 100 000 heures varie de 60 à 100 MPa suivant la composition et le traitement thermique. Les aciers à 12 p. 100 de chrome, avec des additions de tungstène, molybdène, vanadium, niobium, résistent à l'oxydation jusqu'à 650 0C et sont couramment utilisés dans le domaine 550-600 0C. Leurs caractéristiques (vitesse de fluage ou charge de rupture) sont nettement plus élevées que celles des aciers précédents. La charge de rupture au bout de 100 000 heures est de 150 à 200 MPa à 550 0C et de l'ordre de 100 MPa à 600 0C. C'est dire qu'ils peuvent permettre, à égalité de sollicitations, une augmentation de température de l'ordre de 50 0C, ce qui a une grande influence sur le rendement des machines.

Au-delà de 600 0C et jusqu'à 700 0C, on utilise des aciers austénitiques du type 18-10 (cf. Aciers inoxydables) avec des additions de molybdène, titane, niobium pour améliorer les caractéristiques de fluage. Il est alors nécessaire d'augmenter la teneur en nickel jusqu'à 12 p. 100 et 15 p. 100 pour que l'acier garde une structure purement austénitique, sans ferrite δ qui donnerait des risques de fragilisation par maintien prolongé à 650 0C ou 700 0C. Les caractéristiques de fluage varient beaucoup d'une fabrication à l'autre : elles sont, en effet, très sensibles à l'action de très petites quantités d'oligo-éléments, et, par suite, aux détails du mode d'élaboration. À titre indicatif, nous signalerons que, pour les aciers du type 18-10 au molybdène, la charge de rupture au bout de 100 000 heures à 650 0C est de l'ordre de 80 à 100 MPa. Par exemple, à partir de 700 0C, les aciers austénitiques ne sont plus suffisants pour la construction des turbines à gaz ou des turboréacteurs, ou même pour les turbines à vapeur.

On dispose alors de superalliages qui peuvent être utilisés jusqu'au-delà de 900 0C. Ces alliages doivent leur rigidité à chaud à la précipitation de carbures ou de composés intermétalliques dans une matrice constituée par une austénite fer-chrome-nickel, et éventuellement du cobalt. Dans certains de ces alliages, la base est le nickel ou le cobalt. Les éléments provoquant les précipitations durcissantes sont très souvent le molybdène, le titane, le niobium, l'aluminium.

Au-delà de 950 0C, on ne peut plus envisager des matériaux de ce type. On entre dans le domaine des céramiques ou des métaux à haut point de fusion, comme le molybdène.

Tout ce qui précède se rapporte au cas où le métal soumis aux températures élevées doit supporter également des contraintes mécaniques. Dans bien des cas, seule importe la résistance aux altérations chimiques par l'air, les gaz de combustion ou des atmosphères diverses. On dispose alors d'une gamme d'aciers contenant du chrome (de 18 à 30 p. 100) procurant la résistance à l'oxydation, et très souvent du nickel, dont la teneur peut atteindre 80 p. 100. Nous citerons les aciers :

– à 17 p. 100 de chrome, sans nickel, résistant jusqu'à 850-900 0C ;

– à 27 à 30 p. 100 de chrome, sans nickel, résistant jusqu'à 1 150 0C ;

– au chrome-aluminium, résistant de 800 à 1 300 0C suivant la composition ;

– au chrome-nickel (20-10 p. 100), résistant jusqu'à 850-900 0C ;

– au chrome-nickel (25-12 ou 25-20 p. 100), résistant jusqu'à 1 150 0C ;

– ainsi que des alliages plus riches en nickel, soit 35 p. 100 de nickel et 20 p. 100 de chrome, ou 60 p. 100 de nickel et 15 p. 100 de chrome. Pour ce dernier, la résistance à l'oxydation est satisfaisante jusqu'à 1 250 0C.

—  Louis COLOMBIER, Guy HENRY, Joëlle PONTET, Gérard FESSIER

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, ancien directeur de recherche à la Compagnie des ateliers et forges de la Loire
  • : ingénieur en chef à l'Institut de recherches de la sidérurgie française, adjoint au directeur de l'Institut de recherches de la sidérurgie française
  • : directrice générale de l'Office technique pour l'utilisation de l'acier (O.T.U.A.)
  • : ingénieur call centre à l'Office technique pour l'utilisation de l'acier (O.T.U.A.)

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Louis COLOMBIER, Guy HENRY, Joëlle PONTET, Gérard FESSIER, « ACIER - Technologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le . URL : http://www.universalis.fr/encyclopedie/acier-technologie/