ACIER. Dr. Adamah MESSAN. École Supérieure Polytechnique de Kaya (ESPK) 25/05/2010

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1 ACIER Dr. Adamah MESSAN École Supérieure Polytechnique de Kaya (ESPK)

2 Les aciers 1. Propriétés 2. Traitement des aciers 3. Produits et utilisations

3 LES ACIERS 1. Propriétés 1.1 Propriétés physique *Massevolumique: kg/m 3 * Propriétés thermiques Chaleur massique (ou capacité calorifique) : C est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 1 C la température de l unité de masse de ce corps (J /kg C). CP Acier = 500 J /kg C Conductivité thermique λ : ϕ [W/m 2 ] = λ. (T A T B )/AB λ est appelé conductivité thermique [W/m.K] λ acier (0,1% de carbone) = 46 W/m.K T A ϕ T B

4 Dilatation thermique Le coefficient de dilatation thermique de l acier est de par degré. l = l. δ (T A T B ) Exemple : Déterminer l allongement maximum d un pont en acier de longueur l = 300,00 m dont la température varie entre -20 C et + 40 C. l = 300,00 x x 60 = 21, m = 21,6 cm Propriétés électriques Bon conducteur de l électricité

5 1.2 Propriétés mécaniques Essai de traction Cet essai fournit les grandeurs caractéristiques directement exploitables dans les calculs de dimensionnement. Il consiste à mesurer en continu l évolution de l effort de traction en fonction de l allongement.

6 Il consiste à mesurer en continu l évolution de l effort de traction en fonction de l allongement. Contrainte Essai de traction d un acier doux Diagramme contrainte = f (A%) f r C f e A M B O M Déformations (A%) Domaine élastique OA : Les déformations sont proportionnelles aux contraintes. Si on relâche les charges, l éprouvette reprend ses dimensions initiales. La pente de la droite correspond au module d élasticité longitudinale E. E = MPa

7 Dans le cas d un acier doux, le palier horizontal permet une identification nette de la limite d élasticité (f e ). Palier ductile AB Domaine plastique : Domaine des grandes déformations sans augmentation de contrainte. Si en un point M, on relâche la charge, l éprouvette ne reprend pas sa longueur initiale, le point M décrit la droite MM, pratiquement parallèle à OA. OM s appelle l allongement rémanent. La limite de rupture : f r correspond à la charge maximale obtenue lors de l essai (point C). Remarque 1 : L écrouissage est l action de déformer un acier au-delà de sa limite élastique. Remarque 2 : Dans le cas des aciers naturellement durs, ce palier n est plus marqué et on retient comme limite conventionnelle, la contrainte pour laquelle l allongement rémanent est égal à 0,2%.

8 Contrainte Essai de traction d un acier naturellement dur ou écroui Diagramme contrainte = f (A%) f e 0,2% Déformations (A%)

9 Exercice 1 Considérons une éprouvette d acier doux de 200 mm de longueur sur laquelle on applique un effort de traction. La courbe expérimentale ci-dessous est ainsi obtenue. On donne : 1. Indiquer la valeur de la limite élastique (en MPa) ainsi que celle du module de Young. 2. Quelle est la limite de rupture? Donner l allongement de rupture en centimètre. 3. On suppose que l éprouvette a une forme cylindrique de diamètre 12 mm. Elle est soumise à une force de traction de valeur N. Le coefficient de Poisson sera pris égale à 0,3. a) A cette charge, es ce que le matériau reste dans le domaine élastique? Justifier votre réponse. b) Calculer le rétrécissement du diamètre de l éprouvette. C σ A B O ε D σ(mpa) ε(%) A 240 0,12 B 240 2,4 C D

10 * Essai de fatigue Il consiste à imposer à des éprouvettes des cycles d efforts périodiques sinusoïdaux, soit par charges axiales, soit par flexion rotative. Essai de fatigue par flexion rotative. La rupture peut intervenir à des niveaux de contraintes peu élevés, souvent inférieurs à la limite d élasticité, la répétition constitue donc un danger. La capacité de résistance à la fatigue d un matériau s appelle l endurance.

11 * Essai de fluage Définition : Le fluage est une déformation plastique lente d un matériau sous l effet d une charge. L essai consiste à mesurer les variations de longueur d une éprouvette soumise à une charge constante au cours du temps. La durée de l essai peut dépasser heures. 1.3 Propriétés chimiques * La corrosion atmosphérique La corrosion est un effet électrolytique. Elle est favorisée par la présence d oxygène, de vapeur d eau, de gaz carbonique, de vapeurs sulfurées, de brouillards salins * Action des acides et des bases L attaque des métaux par des réactifs spécifiques permet des observations au microscope métallographique. Exemple : Une solution alcoolique d acide picrique (phénol) et d acide chlorhydrique permet l examen de la structure : des aciers inoxydables par exemple. Les acides peuvent également être utilisés comme décapants avant des opérations de soudage.

12 2. Traitement des aciers Les traitements permettent d améliorer les aciers. On distingue deux types de traitements : - traitement thermique à cœur, - traitement de surface. 2.1 Traitement thermique * Trempe C est le chauffage de la pièce à une température voisine de 800 c suivi d un brusque refroidissement dans de l eau ou de l huile. La fin du refroidissement se fait dans l air. Avantages : Inconvénients : - augmentation de la dureté de l acier, - augmentation de la charge de rupture. - diminution de la résistance aux chocs, - diminution de la ductilité, ce qui rend la pièce cassante, pratiquement non usinable.

13 * Le revenu Le revenu est pratiqué après la trempe des aciers. Il comprend : - un réchauffage de la pièce à température TR, - un maintien de durée tr, - un refroidissement programmé. Remarque : Il existe deux catégories de revenu : Revenu classique à haute température : Revenu à basse température : - T R > 500 c - Modifications métallurgiques importantes. - T R < 200 c - Modifications métallurgiques peu importantes.

14 Avantages : Inconvénient : - amélioration des caractéristiques de déformabilité, - relaxation des contraintes résiduelles. - baisse de la résistance. * Recuit Le recuit est pratiqué sur des aciers ayant perdu leur état d équilibre. Il consiste à maintenir la pièce à une température moyenne, puis à lui faire subir un refroidissement lent au four. Un acier peut se trouver dans des états hors d équilibre provoqués par des traitements thermiques ou mécaniques antérieurs. Exemples : Avantages : - ségrégation au cours du processus de solidification, - écrouissage par déformation à froid, - contraintes de soudages, etc. - réduction de l hétérogénéité chimique, - amélioration de la ductilité.

15 2.2 Traitement de surface * Traitement de durcissement superficiel Le traitement peut être obtenu par l un des procédés suivants : - trempe après chauffage localisé, - trempe après cémentation par le carbone, chauffage de la pièce en contact avec le carbone recarburation superficielle. - trempe après carbonitruration (carbone + azote), etc. * Protection par dépôt de matière en surface - Dépôts physiques ou chimiques en phase vapeur. - Revêtement par projection thermique (matériau à l état fondu, projeté à grande vitesse). - Revêtement électrochimiques : - Zinc (galvanisation) - Cadmium

16 3. Produits et utilisations 3.1 Armatures pour béton armé (B.A.) * Aciers à haute adhérence (H.A.) Fabrication : Armatures obtenues par laminage à chaud d un acier naturellement dur. La haute adhérence est généralement obtenue par des nervures en saillie sur la surface de l armature. Diamètre : - 6 7* 8 9* Nuance : * diamètre disponible uniquement f r [N/mm2] f e [N/mm2] en FeE 500 A en % Résistance en Limite d élasticité traction FeE FeE Allongement relatif à la rupture

17 Façonnage : Le façonnage des aciers HA est délicat, du fait de leur faible allongement relatif à la rupture. Pour les barres à haute adhérence le rayon de courbure doit être au moins égal à : - 5,5 φ (φ = diamètre de la barre) - la valeur minimale fixée par la fiche d identification. Rayon de courbure Crochet d ancrage

18

19 * Ronds lisses (φ) Fabrication : Armatures obtenues par laminage à chaud d un acier doux. Leur surface ne présente aucune aspérité en dehors des irrégularités du laminage qui sont négligeables. Diamètre : Façonnage : Nuance : f e [N/mm2] Limite d élasticité f r [N/mm2] Résistance en traction A en % Allongement relatif à la rupture FeE / FeE / Pour les ronds lisses, le rayon de courbure doit être au moins égal à 3.φ pour les crochets d ancrage (φ = diamètre de la barre). Il peut être réduit à 2.φ pour le façonnage des cadres, des étriers et des épingles. Cadre Etrier Epingle Adamah P.-S. MESSAN

20 Remarque : Les boucles de levage doivent obligatoirement être confectionnées en acier doux. Elles peuvent ainsi supporter des déformations sans se rompre. * Treillis soudés Fabrication : Les treillis soudés sont constitués par des fils se croisant perpendiculairement et soudés électriquement à leurs points de croisement. Les éléments constitutifs des treillis soudés peuvent être : - soit des fils machine en acier doux écrouis par tréfilage, - soit des fils à haute adhérence obtenus par laminage à froid. Diamètre : - 3,5 4,5 5 5,

21 Nuance : TSL Treillis soudés lisses TSHA Treillis soudés haute adhérence f e [N/mm 2 ] Limite d élasticité f r [N/mm 2 ] Résistance en traction A en % Allongement relatif à la rupture Utilisation : Livrés en panneaux ou en rouleaux, ces treillis sont utilisés pour le ferraillage de dalles, de voiles, de tuyaux, de chapes Avantages : - répartition uniforme des efforts de traction, - adhérence, - rapidité de pose.

22 3.2 Les câbles Fabrication : L acier obtenu au four électrique (% de C = 0,30 à 0,85%) va subir les transformations suivante : - obtention d un fil machine par laminage à chaud, - recuisson au four à 950 C, - brusque refroidissement dans un bain d huile, - retrait des oxydes et de la calamine par décapage acide (solution contenant un limiteur pour éviter l attaque de l acier sain), - tréfilage à froid par passages successifs à travers des filières, - un revenu permet de redonner une certaine ductilité à l acier.

23 Produits : Les fils produits ont des résistances garanties élevées (de 1100 à 1600 MPa), et sont utilisés sous forme de fil, de toron ou de câble. Le toron est l ensemble câblé le plus simple. Il est composé de plusieurs fils disposés en hélice. Le câble est un ensemble lui-même composé de plusieurs torons disposés en hélice. Exemple : Câble de 6 torons de 19 fils à âme centrale textile. Diamètre des fils : - 3,5 4,5 5 5,

24 Utilisation : - armature pour béton précontraint, - tirant d ancrage, - ponts suspendus, - téléphériques, - levage et manutention, - ascenseurs et monte-charges,etc. Remarque 1 : Les aciers précontraints doivent être agréés par la Commission interministérielle d agrément des armatures de précontrainte. Remarque 2 : On utilise pour la précontrainte des câbles à faible relaxation (relaxation : c est le relâchement de la tension dans un câble, provoqué par son allongement).

25 3.3 Les profilés (poutrelles) Produits finis laminés à chaud en barres droites, dont la section rappelle celle des lettres majuscules I, H, U ou Ω. Poutrelle de type IPE Poutrelle de type HEA Poutrelle de type UAP Les principales nuances d acier utilisées en charpente métallique sont S 235, S 275, S355, S 420 et S 460 (la valeur numérique correspond à la limite d élasticité minimale).

26 3.3 Les profilés (poutrelles) Profilés tubulaires Cornières Profilés en U Profilés en double té

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