CHAPITRE I
GENERALITES SUR LES ACIERS
I.1 Définition
Les aciers sont les métaux les plus répandus
dans l'industrie et la construction mécanique d'une manière
générale, on les désigne ainsi par Fer + Carbone se
trouvant dans une proportion allant de 0,02 à 2% en masse (Air Formation
édition octobre 2007). Pour résister à ces sollicitations,
des éléments chimiques peuvent être ajoutés à
sa composition en plus du carbone. Ces éléments sont
appelés éléments d'additions, les principaux sont le
manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel (Ni), le molybdène
(Mo).
I.2 Type
On distingue plusieurs types d'aciers selon le pourcentage
massique de carbone
qu'ils contiennent :
- les aciers hypoeutectoïdes de 0,0101 à 0,77 % de
carbone qui sont les plus
malléables; ils sont durcis par des
précipités de cémentite en faible quantité ;
- les aciers perlitiques ou eutectoïdes contenant du fer
á et la cémentite
- les aciers hypereutectoïdes : de 0,77 à 2,11 % de
carbone qui sont les plus durs
- il existe toutefois des aciers lédéburitiques
(Matériaux Métalliques).
I.3 Structure et phases de l'acier
a) Structure
À l'état stable, dit « recuit », la
structure de l'acier dépend de la composition :
? en dessous de 0,008 % de carbone en masse, le carbone est
entièrement dissout dans la maille de fer á ; on parle de «
fer » ;
? entre 0,008 et 0,022 %C, on a dépassé la
limite de solubilité du carbone dans le fer ; le carbone forme du
carbure de fer Fe3 C appelé « cémentite
» ; ce sont des aciers extra-doux, qui ont une limite élastique Re
faible ;
? entre 0,022 et 0,77 %C, on a une structure biphasée
ferrite/perlite (la perlite est un eutectoïde lamellaire) ; les grains de
ferrite peuvent être de forme régulière, ou bien
aciculaires (en forme d'aiguille), cette structure est fragile et a une
mauvaise résistance à la corrosion, raison pour laquelle on
l'évite ; pour 0,77 % C, on a uniquement de la perlite ;
? entre 0,77 et 2,1 %C, on a une structure biphasée
cémentite/perlite.
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Figure I.1 : structure cristalline des aciers
à l'état recuit
Pour un acier hypoeutectoïde, on passe d'abord par une
zone á + ã entre les températures A3 et A1, on a donc
d'abord formation de ferrite dite « proeutectoïde » (qui se
forme avant l'eutectoïde) qui « prend la place des joints de grain
». Puis, la perlite se forme à la température A1. On se
retrouve fréquemment avec des grains de perlite entourés de
ferrite.
Pour un acier hypereutectoïde, on passe d'abord par une
zone cémentite + ã entre les températures Acm et A1, on a
donc d'abord formation de cémentite proeutectoïde qui « prend
la place des joints de grain ». Puis, la perlite se forme à la
température A1 (les aciers I théorie/Métallurgie
générale).
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Figure I.2 : germination des phases de l'acier
à partir des grains d'austénite au cours de refroidissement d'un
acier hypoeutectoïde et hypereutectoïde
b) Phase
b.1) Austénite
l'austénite (fer ) est une phase du fer stable entre
910°c et 1394°c. Elle a une structure cristallographique cubique
à faces centrées et amagnétique. Cette structure permet
une grande solubilité du carbone (jusqu'à 2,1% massique à
1147°c).
Certains éléments d'alliage comme le
manganèse, nickel, azote augmentent la plage de stabilité de
l'austénite, ils sont dits « gammagènes ». Avec un
dosage suffisant, ils permettent, grâce à une trempe, d'obtenir de
l'austénite à température ambiante à l'état
métastable. D'autres éléments (silicium, molybdène
ou chrome par exemple) tendent à déstabiliser l'austénite.
On appelle ces éléments « alphagènes »
b.2) Ferrite
La ferrite (fer ) est une phase de l'acier, sous la forme
d'une structure cubique centrée. Cette phase est observable lorsque la
température est inférieure à 912°c ou
supérieure à 1394°c. Si la teneur en carbone est très
faible, le passage de la structure cubique à faces centrées
(austénite) du fer à la structure cubique centrée
(ferrite), lorsque la température descend en dessous de 912°c,
résulte de l'apparition progressive du ferromagnétisme dans la
structure cubique centrée. En effet, pour des raisons liées
à
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l'arrangement cristallin, l'alignement des spins responsable
du ferromagnétisme tend à stabiliser la structure cubique
centrée.
b.3) Cémentite
La cémentite ou carbure de fer est un composé
chimique dont la formule est Fe3C
et ayant la structure orthorhombique. Elle contient 6,67% de
C. c'est un composé très dur (Dureté Vickers HV = 700
à 800) mais très fragile
(A = 0%, Rm = 700 N/ ).
mm2
Elle forme avec la ferrite un composé appelé
perlite.
b.4) Perlite
Agrégat eutectoïde ayant une structure de lamelles
alternées de ferrite et de
cémentite, provient de la décomposition de
l'austénite. Ce constituant contient 0.8%C, il offre une dureté
usinable et une bonne résistance. La perlite est dure (HB200),
résistante (Rm850 MPa) et assez ductile (A%10).
b.5) Martensite
En ce qui concerne les aciers, la martensite (fer a)
est une phase métastable
Cette phase cristallise dans le système quadratique.
On peut la considérer comme une solution solide de carbone dans le
réseau distordu de la ferrite. Cette distorsion est
caractéristique d'un acier refroidi rapidement depuis la
température d'austénitisation, et elle coexiste souvent avec la
bainite et la troostite. La martensite possède une grande dureté
(HV = 700 - 900), mais présente l'inconvénient d'être
très fragile. Elle est ferromagnétique comme la ferrite. Elle
peut martensite se présenter sous différentes morphologies :
massive ou aciculaire. Cette dernière forme est de loin la plus
répandue dans le cas des aciers faiblement alliés (S.BENSAADA
2010).
b.6) Bainite
La bainite est le nom d'une microstructure de l'acier
découverte en 1930 par E.S. Davenport et Edgar Bain lors de leurs
études de la décomposition isotherme de l'austénite. Cette
phase se présente sous la forme d'un agrégat de plaquettes (ou
lattes) de ferrite et de particules de cémentite. Elle se forme lorsque
le refroidissement de l'acier est trop rapide pour obtenir la formation de
perlite mais trop lent pour obtenir la formation de martensite.
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C'est un constituant qui présente les mêmes
phases que la perlite mais possède une structure particulière
fine, souvent en aiguilles, ce qui lui confère de bonnes
propriétés mécaniques. Elle est dure et assez facile
à usiner.
I.4 Différentes familles des aciers
a) Aciers non alliés
? Aciers non alliés à usage
général
Ils sont destinés à la construction soudée,
à l'usinage, au pliage etc. On distingue :
- le type S qui correspond à un usage
général de base (construction de bâtiment...) ;
- le type P pour usage des appareils à pression ;
- le type L pour les tubes de conduites ;
- le type E pour la construction mécanique ;
- le type R pour les rails.
La désignation de ces aciers comprend la lettre
indiquant le type d'acier, suivie de la valeur de la limite élastique
(Re) exprimée en méga pascals (MPa).
S'il s'agit d'un acier moulé, la désignation est
précédée de la lettre G. La désignation peut
être complétée par des indications supplémentaires
(pureté, application dédiée, etc.). ? aciers non
alliés spéciaux (du type c)
La teneur en manganèse est inférieure à
1 %, et aucun élément d'addition ne dépasse 5 % en masse.
Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à
des usages définis à l'avance.
Leurs applications courantes sont les foreuses (perceuses),
ressorts, arbres de transmission, matrices (moules), etc.
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.
b) Aciers faiblement alliés
La teneur en manganèse est supérieure à 1
% et aucun élément d'addition ne doit dépasser 5 % en
masse. Ils sont utilisés pour des applications nécessitant une
haute résistance.
Il existe aussi les aciers à résistance
améliorée à la corrosion sont des aciers faiblement
alliés appelés également aciers patinables ou aciers auto
protecteurs, car dans certaines
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conditions d'exposition, ils ont la faculté de se
couvrir d'une couche protectrice appelée « patine ».
c) Aciers fortement alliés
Au moins un élément d'addition dépasse
les 5 % en masse, destinés à des usages bien spécifiques,
on y trouve des aciers à outils, réfractaires, maraging
(très haute résistance, utilisés dans
l'aéronautique et pour la fabrication de coque de sous-marins),
Hadfields (très grande résistance à l'usure),
Invar (faible coefficient de dilatation).
? Les aciers inoxydables
Les aciers inoxydables sont classés en quatre familles:
ferritique, austénitique, martensitique et austéno-ferritique.
Ils sont une des grandes familles des aciers qui présentent une grande
résistance à la corrosion, à l'oxydation à chaud et
au fluage (déformation irréversible). C'est un acier fortement
allié, ses applications sont multiples : chimie, nucléaire, mais
aussi couteux et équipements ménagers. Ces aciers au moins 12% de
chrome (Myriam Olivier, 2006).
? Les aciers multiphasés
Ces aciers sont conçus suivant les principes des
composites : par des traitements thermiques et mécaniques, on parvient
à enrichir localement la matière de certains
éléments d'alliage. On obtient alors un mélange de phases
dures et de phases ductiles, dont la combinaison permet l'obtention de
meilleures caractéristiques mécaniques. On citera, par exemple
:
- les aciers Dual Phase qui sont la
déclinaison moderne de l'acier damassé, mais où la
distinction entre phase dure (la martensite) et phase ductile (la ferrite), se
fait plus finement, au niveau du grain ;
- les aciers duplex formés de ferrite et
d'austénite dans des proportions sensiblement identiques ; les aciers
TRIP (Transformation Induced Plasticity), où l'austénite
se transforme partiellement en martensite après une sollicitation
mécanique. On débute donc avec un acier ductile, pour aboutir
à un acier de type Dual Phase ;
- les aciers damassés où des couches blanches
ductiles pauvres en carbone absorbent les chocs, et les noires, plus riches en
carbone, garantissent un bon tranchant.
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I.5 Propriétés et
caractéristiques
L'acier est un alliage essentiellement composé de fer,
sa densité varie donc autour de celle du fer (7,32 à 7,86),
suivant sa composition chimique et ses traitements thermiques. Les aciers ont
un module de Young d'environ 200 GPa (200 milliards de pascals),
indépendamment de leur composition. Les autres propriétés
varient énormément en fonction de leur composition, du traitement
thermomécanique et des traitements de surface auxquels ils ont
été soumis.
Le coefficient de dilatation thermique de l'acier vaut
11,7×10 °C-1.
Les aciers ont quasiment tous le même module de YOUNG : E ?
200 GPa.
L'austénite a un module de YOUNG plus faible que la
ferrite :
E ferrite = 207 GPa ; E austénite = 193 GPa.
La ferrite a une masse volumique ñ de 7 874 kg/m3, celle
de l'austénite vaut 8679 kg/m3. On utilise en général des
aciers hypoeutectoïdes (moins de 0 ,77 % de carbone). De manière
globale (ARFAOUI Ali, CHAKER Med Amir) :
- les aciers austénitiques sont très ductiles
mais ont une limite élastique très basse, en effet, leur
structure cubique à face centrée permet de nombreux glissements
faciles entre les plans cristallins ; ils sont facilement formables à
température ambiante ;
- les aciers martensitiques ou bainitiques (aciers
trempés) ont une haute limite élastique mais une faible
ductilité (voir ci-dessus) ;
- les aciers ferritiques sont entre les deux.
Voici à titre indicatif des valeurs typiques.
|
Acier
|
Limite élastique
Re (MPa)
|
Allongement à la rupture
A %
|
|
Acier extra-doux (ferritique
très bas carbone)
|
150
|
35
|
|
Acier austénitique
(hypertrempe)
|
200
|
25 - 50
|
|
Acier ferritique
|
200 - 400
|
20 - 25
|
|
Acier martensitique (trempe)
|
400 - 1000
|
10 - 20
|
Tableau I.1 : valeurs typique des
caractéristiques mécaniques
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La ferrite et la martensite sont ferromagnétiques ;
l'austénite est paramagnétique. Un aimant adhère donc
moins bien à l'austénite qu'à la ferrite ou à la
martensite ; on utilise souvent le « test de l'aimant » pour
reconnaître un acier austénitique. L'austénite est souvent
qualifiée à tort « d'amagnétique » (ce terme n'a
pas de sens physique). Au-delà de 770 °C (point de CURIE), la
ferrite devient paramagnétique, elle perd son aimantation.
On augmente les propriétés magnétiques
(perméabilité magnétique) des aciers ferritiques par
addition de silicium à moins de 4 % : de trop fortes teneurs fragilisent
l'acier. On utilise naturellement des aciers bas carbone (<0 ,01 %),
celui-ci étant gammagène.
En conclusion les propriétés de l'acier
dépendent, en général, des éléments
d'addition ou défauts inclus dans l'acier.
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