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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 ma [...]

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Découpe d’un tuyau en acier

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Acier trempé : dureté et teneur en carbone

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Écrit par :

  • : docteur ès sciences, ancien directeur de recherche à la Compagnie des ateliers et forges de la Loire
  • : ingénieur call centre à l'Office technique pour l'utilisation de l'acier (O.T.U.A.)
  • : 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.)

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Pour citer l’article

Louis COLOMBIER, Gérard FESSIER, Guy HENRY, Joëlle PONTET, « ACIER - Technologie », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/acier-technologie/