3. Les aciers (Alliages Fer + Carbone)

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1 3. Les aciers (Alliages Fer + Carbone) Les aciers sont les métaux les plus répandus dans l industrie et la construction mécanique D une manière générale, on désigne ainsi les alliages Fer + Carbone Généralités Classification des alliages FER + CARBONE. On distingue : Le FER industriel, pourcentage de carbone < 0,05 %. On ne parle plus de fer mais d acier à très bas carbone. Les ACIERS d'usage courant, pourcentage de carbone allant de 0,05 % à 2 % Les FONTES, pourcentage de carbone allant de 2,5 % à 5 % L'augmentation du pourcentage carbone dans les aciers, augmente : la DURETÉ (H) la résistance à la RUPTURE (Rr) la LIMITE ÉLASTIQUE (Re) la résistance à la CORROSION la résistance à l'usure la TREMPABILITÉ (mise en solution du carbone, formation de CARBURES) Mais diminue : la MALLÉABILITÉ (PLASTICITÉ - DUCTILITÉ) la résistance aux chocs (RÉSILIENCE) la soudabilité D'où la nécessité de choisir un acier plus ou moins carburé selon que l'on désire réaliser : Résistance à l'usure : acier DUR (fort % carbone) Chaudronnerie ou emboutissage : acier DOUX (faible % carbone) Un peu d histoire La fabrication du fer remonte à 1700 avant JC par les Hittites. De cette époque jusqu à la fin du moyenâge, son élaboration consistait à chauffer ensemble des couches alternées de minerai et de bois jusqu à obtenir une masse de métal pâteuse qu il fallait marteler à chaud pour débarrasser de ses impuretés et obtenir du fer brut. Au XVe siècle découverte de la fonte avec l apparition des premiers hauts fourneaux : un métal ferreux à l état liquide permettant de créer des boulets de canon, des marmites, La fonte permet également de produire du fer en abondance grâce à un procédé d affinage qui brule le carbone contenu dans la fonte. En 1786, trois savants français, Berthollet, Monge et Vandermonde établissent la définition exacte du trio Fer-Fonte-Acier et le rôle du carbone dans leur caractéristiques. A la fin du XIXe siècle, la production d acier se développe avec la révolution industrielle, notamment grace aux convertisseur Bessemer et au procédé Thomas-Gilchrist. Au cours du XXe siècle, la production mondiale d acier passe de 28 millions de tonnes en 1900 à 60 millions en En 1940 cette production atteint 141 millions En 2004, la production est de 1057 millions de tonnes. 28

2 Influence des éléments d'addition (Autres métaux ou métalloïdes) : En dehors de la variation du pourcentage de carbone, on peut modifier les caractéristiques mécaniques et aptitudes technologiques des aciers par addition d'autres métaux dont les principaux sont, avec leurs principales influences : MANGANÈSE, augmente la limite élastique et la trempabilité NICKEL, la résistance aux chocs et à la corrosion (fort %) CHROME, la résistance à l'usure et à la corrosion SILICIUM, la limite élastique TUNGSTÈNE, la résistance à l'usure et à la chaleur MOLYBDÉNE, la résistance à l'usure et à la chaleur VANADIUM, la résistance à l'usure et aux déformations (TÉNACITÉ) L association de plusieurs éléments d addition entre eux permet de pondérer les effets de chacun. Par exemple, dans l alliage d acier nickel chrome, le nickel rend l acier inoxydable mais trop mou et le chrome rend l acier inoxydable mais trop dur. Une proportion convenable de chacun des deux composants permet d allier de bonnes caractéristiques mécaniques à des conditions de travail et d usinage correctes. 29

3 3.2. Identification des aciers La désignation des aciers a évolué ces dernières années et certains documents peuvent faire référence à des aciers nommés selon une ancienne désignation, aussi nous présentons pour information l identification des aciers selon les anciennes normes. Les normes applicables sont évidemment les normes actuelles Les anciennes normes Les aciers ont d abord été désignés selon leur ductilité : extra doux, doux, demi-doux, dur, Puis par leur résistance à la rupture Rr exprimée en hb (hectobar), les aciers de classe A Ensuite selon la limite élastique Re, les aciers de classe E Conversion Ainsi, un acier A37 est équivalent à un E24 1 hectobar = 10 Mpa Par la suite, la désignation a pris en compte la teneur des différents éléments. Pour les aciers non alliés : la teneur en carbone en pourcentage multiplié par 100 Deux séries en fonction de la pureté de l acier : Série CC : CC 10 : teneur en carbone de 0.10% CC 20 : teneur en carbone de 0.20% CC 35 : teneur en carbone de 0.35% Série XC : teneur en soufre et phosphore plus basse XC 10 : teneur en carbone de 0.09% XC 18 : teneur en carbone de 0.19% XC 38 : teneur en carbone de 0.38% Pour les aciers faiblement alliés : la teneur en carbone en pourcentage multiplié par 100, puis les éléments d alliage avec leur teneur multipliée par 4 ou 10 en fonction de l élément. Elément Symbole Facteur Chrome (Cr) C Cobalt (Co) K Manganèse (Mn) M 4 Nickel (Ni) N Silicium (Si) S Aluminium (Al) A Molybdène (Mo) D Niobium (Nb) Nb Soufre (S) F 10 Titane (Ti) T Tungstène (W) W Vanadium (V) V Exemple ; l acier 30 NCD15 contient 0.30% de carbone, 3.75% de nickel, du chrome et molybdène en plus faible teneur. 30

4 Pour les aciers fortement alliés : la désignation commence par Z, puis la teneur en carbone comme précédemment et les éléments d alliage sans facteur multiplicatif. Exemple ; l acier Z 15 CN 18 contient 0.15% de carbone, 18% de chrome et du nickel en plus faible teneur Les normes actuelles Les normes actuelles de désignation des aciers définissent les familles suivantes : Les aciers non alliés d usage général : Utilisés pour la construction soudée, l emboutissage, l ameublement, l électroménager, De type S pour un usage général de base De type E pour la construction mécanique La désignation de ces aciers comprend la lettre du type d acier suivi de la valeur de la limite élastique en Mpa (Re) S il s agit d un acier moulé, on précède la désignation de la lettre G Exemple ; S185 (anciennement A33), Re = 185 Mpa E295 (anciennement A50), Re = 295 Mpa GE295, acier moulé, Re = 295 Mpa Les aciers non alliés spéciaux : De type C Leur désignation comprend la lettre C suivie de la teneur en carbone multipliée par 100. S il s agit d un acier moulé, on précède la désignation de la lettre G Exemple ; C45, acier non allié comportant un taux de 0.45% de carbone GC22, acier moulé non allié comportant un taux de 0.22% de carbone 31

5 Les aciers faiblement alliés : Aucun élément d addition ne dépasse 5% La désignation reprend la teneur en carbone multipliée par 100, suivie des éléments d addition et leur pourcentage respectifs multiplié par un facteur spécifique. Elément Symbole Facteur Chrome Cr Cobalt Co Manganèse Mn Nickel Ni 4 Silicium Si Tungstène W Aluminium Al Bérylium Be Cuivre Cu Molybdène Mo Niobium Nb Plomb Pb 10 Tantale Ta Titane Ti Vanadium V Zirconium Zr Soufre S Cérium Ce Azote N 100 Phosphore P Bore B 1000 Exemple ; l acier 35NiCrMo16 contient 0.35% de carbone, 4% de nickel, du Chrome et du Molybdène en plus faible teneur. Les aciers fortement alliés : Un élément d addition atteint au moins la teneur de 5% Ils sont désignés par la lettre X, suivie du pourcentage de carbone multiplié par 100, puis de la désignation des éléments d addition et leur pourcentage respectif sans facteur multiplicateur. Exemple ; l acier X2CrNi 18-9 contient 0.02% de carbone, 18% de chrome et 9% de nickel 32

6 Ce qu il faut retenir sur la désignation des aciers Aciers non alliés d'usage général S + valeur Re ; exemple S185 E + valeur Re; exemple E295 Aciers non alliés spéciaux C + %tage carbone x100 exemple C35 Aciers faiblement alliés %tage carbonex100 + éléments d'addition + %tage x facteur exemple 35NiCrMo16 Aciers fortement alliés X + %tage carbone x éléments d'addition + %tage exemple X5CrNi17 12 Elément Chrome Cobalt Manganèse Nickel Silicium Tungstène Aluminium Bérylium Cuivre Molybdène Niobium Plomb Tantale Titane Vanadium Zirconium Soufre Cérium Azote Phosphore Bore Symbole Cr Co Mn Ni Si W Al Be Cu Mo Nb Pb Ta Ti V Zr S Ce N P B Facteur AIR FORMATION 740 chemin de Couloume SEYSSES T./F

7 3.3. Les traitements des aciers Les aciers ont un module de YOUNG à 210GPa, sensiblement identique quelque soit leur composition. Cependant les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition et des traitements auxquels ils ont été soumis Il est possible de modifier les propriétés des aciers en de plusieurs manières : Par les éléments d addition Par un traitement mécanique provoquant l écrouissage Par un traitement thermique Par un traitement de surface Traitements thermiques des aciers Préalable Les différentes phases des aciers L acier est un mélange formé par la dissolution de carbone dans le réseau cristallin métallique du fer. Il existe différentes phases de l acier qui présentent chacune des propriétés différentes. Ces propriétés sont liées notamment à la position du carbone dans la structure métallique du fer ; on parle de structure cubique à corps centré (CCC) ou cubique face centrée (CFC). Différence entre CFC et CCC? La compacité permet d évaluer le taux d occupation d un espace. Il existe un lien entre la densité et la compacité d une structure métallique. Les différentes phases à température ambiante sont les suivantes : Ferrite ou fer α ; il s agit d acier à très faible teneur en carbone, on peut dire du fer pur. Sa dureté est de 80 Hv. Sa structure est cubique à corps centré( CCC). Cémentite, ou carbure de fer ; c est un composé très dur (700 à 800 Hv) mais très fragile Perlite, il s agit d un agrégat formé de 89% de ferrite et 11% de cémentite, sa dureté est de 220 Hv. A haute température (voir diagramme plus bas), le fer α change de structure en fer γ cubique faces centrées (CFC), ce qui a pour effet de permettre une plus grande solubilité du carbone. La phase est la suivante : Austénite ; Certains éléments comme le manganèse, le Structure CCC La compacité d une structure cubique à corps centré est de 0.68 Structure CFC La compacité d une structure cubique faces centrées est de 0.74 Le réseau cubique faces centrées (CFC) est plus dense que le réseau cubique à corps centré (CCC). nickel ou l azote permettent grâce à une trempe d obtenir de l austénite à température ambiante. On parle d aciers austénitiques. A la suite du refroidissement de l acier, l austénite donne une nouvelle phase en changeant de structure. Martensite ; cette solution solide d insertion sursaturée de carbone dans le fer α a la même composition que l austénite initiale. Sa dureté est supérieure à 800 Hv. Bainite ; il s agit d un agrégat de plaquettes de ferrite et des particules de cémentites qui se forme lorsque le refroidissement est trop lent pour obtenir de la martensite et trop rapide pour obtenir de perlite. La Bainite est dure et facile à usiner. 34

8 Points de transformation des aciers selon ROOZEBOOM le diagramme de Le diagramme de Roozeboom permet de connaitre les phases présentes dans l acier en fonction de la température et du pourcentage de carbone. Ce diagramme ne représentee que les transformations des aciers qui interviennent uniquement dans l'état solide (en dessouss de 1145 ) En dessous des points A1 (720 ) : On obtientt une solution stable à froid (solution α) "MALLÉABLE" dont la constitution dépend du % carbone FERRITE ou PERLITE ou (FERRITE + PERLITE) ou (PERLITE + CÉMENTITE) Au-dessus des points A3 (720 C à 1145 C) : On obtient une solution stable ou le carbone se trouve dissout dans le fer (solution γ ou carbure de fer). On obtient un nouveau constituant l AUSTENITE. Entre les points A1 et les points A3 : C'est l'intervalle de température (plus ou moins important en fonction du % carbone) nécessaire à la transformation de la mise en solution. AIR FORMATION 740 chemin de Couloume SEYSSES T./F