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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

Tableau : Aciers alliés et non alliés

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

Dessin : Action du chrome sur l'austénite

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

Dessin : Aciers au chrome et aciers ordinaire : dureté

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 refroidisseme [...]

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Découpe d’un tuyau en acier

Découpe d’un tuyau en acier
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Teneur en carbone

Teneur en carbone
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Austénite : transformation

Austénite : transformation
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Acier trempé : dureté et teneur en carbone

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 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/acier-technologie/