Technologie de l’acier E-Book

Encyclopaedia Universalis

• Herausgeber: Encyclopaedia Universalis
• Kategorie: Bildung
• Sprache: Französisch

Seitenzahl: 68

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

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...

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ISBN : 9782852296688

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Technologie de l’acier

Introduction

L’acierest 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. 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. (06photo/ Shutterstock)

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.

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

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.

2. 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.