CHAPITRE II
INFLUEN E DES ELEMENTS D' DDITION SUR LES
PROPRIETES
ME NIQUES DE L' IER
On peut modifier les caractéristiques mécaniques
et aptitudes technologiques des aciers par addition d'autres métaux en
dehors de la variation du pourcentage de carbone. L'association de plusieurs
éléments d'addition entre eux permet de pondérer les
effets de chacun. Les métaux principaux, avec leurs principales
influences, sont :
II.1. L'aluminium
La solubilité de l'aluminium dans le fer est de 35%
à 1232°C et de 32% à la
température ambiante. Les additions d'aluminium
réduisent la région gamma du diagramme d'équilibre,
accroissant la phase alpha et formant finalement une région alpha et
gamma continue. La plupart des aciers moulés sont
désoxydés à l'aide de petites additions (0.5 à 1 kg
par tonne), qui changent l'oxyde de fer en en alumine insoluble,
dispersée sous la forme de particules ultra-microscopiques, infusibles
et dures, qui sont généralement moins gênantes au cours de
la fabrication que les inclusions existant dans les aciers calmés au
silicium. En empêchant la formation de gaz, des additions de ce genre
évitent la formation de piqûres et de ségrégation A
condition d'éviter la surchauffe, une forte désoxydant par
l'aluminium représente un moyen d'élever la température
à partir de laquelle le grain du métal grossit rapidement, et
l'on peut par la suite agir sur la finesse du grain. Les très petites
inclusions d'alumine agissent probablement en gênant mécaniquement
le grossissement des grains sur les bords de ceux-ci. Les aciers
désoxydés de cette façon ont une résilience
accrue.
II.2. Le carbone
Les propriétés de l'acier dépendent, de
façon fondamentale, de la teneur en
carbone. Le fer liquide dissout très facilement le
carbone dans des proportions très supérieures aux 2.08% qui
marquent la délimitation entre les aciers et les fontes. En
quantités allant jusqu'à cette limite de classification, le
carbone se dissout dans le fer Ó pour donner de l'austénite, mais
la solubilité dans le fer Ó est très faible (de 0.01
à 0.04%). Les additions de carbone introduisent le point A2 (695°C
formation de perlite) élèvent le point A4 (1400°C) et
peuvent abaisser le point A3 (910°C) jusqu'à 695°C.
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De tous les constituants de l'acier, le carbone exerce de loin
l'influence la plus grande sur les propriétés du métal.
Dans les aciers au carbone, il se trouve presque exclusivement sous la forme de
carbure Fe3C dur et fragile, mais également sous la
forme de "carbone de trempe" dissous, et quelquefois sous la forme de graphite
(Métallurgie générale/les aciers I théorie).
Figure II.1 : Diagramme
fer-carbone
II.3. Le chrome
Des additions de chrome améliorent les
propriétés mécaniques et la résistance à
la
corrosion, et cet élément est très
employé, en teneur variant de 0.25 à 30%, suivant l'application
précise que l'on veut faire. Il se combine de préférence
avec le carbone, et le carbure qui en résulte,
(généralement le carbure orthorhombique Cr3
C2 lorsque la teneur est modérée, ou le carbure
cubique Cr4C quand la teneur est forte) se dissout dans le
Fe3C restant pour former un carbure double, dur et stable.
Par suite, le chrome diminue la décarburation et corrige la tendance
graphitisante dans les aciers à forte teneur en carbone. Les
quantités en excès par rapport à celle nécessaire
à la formation des carbures se dissolvent librement et facilement dans
le fer liquide, et restent en solution dans le fer y, et, dans une
plus grande mesure encore dans le fer a. Le chrome en solution tend
à
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retarder la transformation de l'austénite, ce qui
produit de la trempe à l'air, tendance qui est favorisée par des
températures initiales élevées ou par des vitesses de
refroidissement dépassant la vitesse d'équilibre, ces deux
conditions abaissant les points A3 et A1. Une teneur aussi faible que 0.5%
suffit pour donner une structure aciculaire dans de l'acier au carbone à
0.35% refroidi à l'air (ARFAOUI Ali, CHAKER Med Amir).
Le plus souvent, on emploie en même temps que d'autres
éléments d'addition, spécialement le nickel, le
molybdène, le vanadium et le titane, qui améliorent en plus la
ductilité et la ténacité, réduisant en outre la
fragilité due au grossissement du grain. Des additions
simultanées de chrome (0.5 à 1.5%) et de nickel (1.5 à
4.5%) donnent une association excellente de résistance à l'usure
et d'aptitude à la trempe, avec une résistance à la
rupture élevée, de la ductilité, de la
ténacité, le métal obtenu convenant bien aux fortes
épaisseurs, et n'étant que relativement peu sujet au
grossissement du grain.
II.4. Le cobalt
Le cobalt élargit la région á, en
relevant la température du solidus et abaissant le point de
transformation a - y. Ajouté à l'acier, il n'a pas
d'effet durcissant appréciable sur l'austénite. En ce qui
concerne les propriétés mécaniques à froid, il
élève graduellement la charge de rupture à la traction et
la limite élastique, avec réduction correspondante de
l'allongement et de la striction. La résistance à la corrosion
est améliorée. Le cobalt est le seul élément qui
n'agisse pas directement pour augmenter la dureté produite par la trempe
et il faut recourir à un refroidissement plus rapide. Cet
élément fait que l'acier résiste à l'action du
revenu après trempe.
Le cobalt existe dans les aciers surtout sous forme de
carbure Co3 C. L'instabilité de celui-ci tend
à produire de la décarburation pendant le travail à chaud.
Étant donné que le chrome exerce un effet stabilisant par suite
de la formation de carbures complexes, contrecarre la fragilité et
diminue partiellement les difficultés de forgeage. Il en résulte
qu'on l'ajoute souvent aux aciers au cobalt, surtout dans ceux qui sont
à haute teneur en carbone. Toute la proportion du cobalt qui n'est pas
combinée avec le carbone, forme un composé intermétallique
Fe2 Co, qui donne avec le fer une série de solutions
solides.
II.5. Le manganèse
Le manganèse a une influence si favorable qu'il est un
constituant essentiel de n'importe quel acier industriel. Le seul
élément qui ait une importance plus grande est le
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carbone. Le manganèse forme avec le fer gamma ( ), le
fer á et la cémentite, une série continue de solutions
solides. Les points Ar3 (correspondant à la transformation ->
á) et Ar1 (changement eutectoïde) sont notablement abaissés
par la présence du manganèse. Avec une teneur en manganèse
de 2%, les points critiques se confondent, même quand la teneur en
carbone est modérée. Des additions de manganèse
améliorent la fluidité, mais augmentent le retrait. La
conductibilité électrique est réduite.
Le manganèse est présent dans les aciers, en
partie sous forme d'impuretés résiduelles, en partie comme
résultat d'une désoxydation. Une partie du manganèse
constitue un élément d'addition intentionnelle pour
contrebalancer la mauvaise influence du sulfure de fer, en produisant du
sulfure de manganèse relativement moins nocif. Le manganèse
améliore les propriétés mécaniques et les
possibilités de travail à chaud. En tant que désoxydant,
le manganèse a une très grande efficacité et il est
employé pour obtenir de l'acier sain, sans défaut interne, tels
que les soufflures. Si la teneur en manganèse est inférieure
à 0.2% l'acier sera vraisemblablement ruché (soufflures
superficielles en nid d'abeilles) et donc non sain. Son action sur le sulfure
de fer est utilisée dans tous les aciers. Elle est
particulièrement importante dans les aciers de décolletage
à haute teneur en soufre. Des quantités de manganèse,
supérieures à 0.30%, augmentent la résistance à la
traction et à moindre degré, diminuent l'allongement et la
striction. L'amélioration de ténacité due au
manganèse varie directement avec la teneur en carbone. Une teneur en
manganèse de 1% augmente la résistance d'un acier à 0.10%
de carbone d'environ de 25%, alors que, dans le cas d'un acier à 0.50%
de carbone, l'augmentation de résistance est d'environ 50%. Avec 2% de
manganèse, l'effet de trempe à l'air devient si prononcé
que la résistance au choc n'est plus que le cinquième de ce
qu'elle était avec 1.40% de manganèse. Une teneur très
favorable en manganèse, pour avoir un acier à haute
résistance et ductile, est de 1.2% à 1.6% avec 0.25 à
0.30% de carbone (BOUTARFIF Fatma et GUELAI Noussaida).
II.6. Le molybdène
Les aciers au molybdène ont pris une importance
croissante pour la fabrication d'organes de machines. Le molybdène
améliore les propriétés de résistance aux chocs des
aciers trempés. Les recherches étendues et les résultats
constatés font que le molybdène est maintenant le plus largement
employé dans les aciers à haute résistance, en vue de leur
maintenir une bonne résistance aux chocs et une bonne résistance
aux températures élevées. Le succès des additions
de molybdène est dû à plusieurs causes. L'une d'entre
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elles est d'éliminer pratiquement toutes tendances
à la fragilité de revenu, après trempe, dans les aciers au
chrome-nickel et dans d'autres aciers spéciaux. Le molybdène est
donc un élément d'addition qu'on emploie habituellement en
même temps que d'autres. Sauf dans les aciers pour outils, où la
teneur en molybdène peut atteindre 10%, en remplaçant du
tungstène, les additions de molybdène ont rarement besoin de
dépasser 1% pour produire leur maximum d'effet utile et souvent, elles
sont beaucoup plus faibles. Ainsi, de nombreuses variétés
d'aciers spéciaux contiennent seulement de 0.15 à 0.40% de
molybdène.
Cet élément se dissout facilement dans l'acier
fondu et, dans de certaines limites, il est retenu sous forme de solution
solide dans le fer á et la ferrite y. Sa solubilité à
1440° C'est de 24%. A la température ordinaire, elle est de 4%. A
400°C, elle est de 6%. Le molybdène est susceptible de former le
composé Fe3Mo2. L'acier chauffé pour être amené
à l'état de solution solide est soumis à une trempe,
présente un précipité de Fe3Mo2 très finement
dispersé (Philipe Berger).
Cependant le molybdène est un puissant formateur de
carbure et il existe en forte proportion dans l'acier, sous forme de carbures
complexes de molybdène et de fer, plus stable de beaucoup que le simple
carbure du fer. Ces carbures lentement solubles, donnent à la
présence au molybdène beaucoup de son effet trempant, qui vient
tout de suite après celui du carbone. Une caractéristique des
additions de molybdène (0.5 à 1%) est de permettre un traitement
thermique efficace des aciers au nickel-chrome, des aciers à hautes
teneur en manganèse..., en supprimant largement leur
susceptibilité à la fragilité de revenu. Celle-ci consiste
en une précipitation durcissant entraînant une diminution
considérable de la résistance aux chocs. Cela ne résulte
pas d'un adoucissement de l'acier. Mais en fait le molybdène est
favorable à un durcissement par revenu. Il se crée alors des
petites particules de Fe3Mo2. Par suite de la solubilité lente des
carbures, il faut des températures de revenu élevées pour
produire l'adoucissement.
Le molybdène agit d'une façon semblable à
celle du chrome, pour augmenter la résistance, l'aptitude à la
trempe et la résistance à l'usure, tout en gardant une bonne
ténacité. Il a donc divers effets favorables, analogues à
ceux du nickel. Les aciers au nickel-molybdène ont une limite
élastique élevée, mais ils ont une faible
résistance aux chocs, et une médiocre usinabilité. Ils
sont employés comme aciers de cémentation.
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II.7. Le Nickel
Le nickel est le premier de tous les éléments
alliés employé à l'échelle industrielle. Il
confère aux aciers un ensemble de propriétés remarquables,
de sorte qu'il se trouve un emploi étendu pour toutes sortes
d'applications, notamment aux teneurs jusqu'à 5% dans les aciers devant
subir un traitement thermique ou une cémentation et pour des
pièces forgées au pilon. Le plein effet du nickel se produit
seulement quand on l'emploie en même temps que d'autres
éléments alliés.
Cet élément a une structure atomique du type
cubique à faces centrées, comme celle du fer gamma, avec lequel
il peut s'allier complètement en formant une série continue de
solutions solides. Il est aussi complètement soluble dans la ferrite et
sauf pour une petite proportion où il existe comme carbure de nickel
instable, associé avec le carbure de fer, il existe dans les aciers pour
pièces de construction, sous forme de solution solide dans la ferrite.
Le nickel a un comportement semblable au manganèse. Son
intérêt fondamental est qu'il abaisse notablement la
température des points critiques. Les points critiques Ac3 et Ac1 sont,
tous les deux, abaissés d'environ 10°C pour chaque 1% de nickel
ajouté.
Le nickel a une vitesse de diffusion assez faible. Il est
très utile pour retarder le grossissement du grain par chauffage
à hautes températures. Il contrebalance les effets pernicieux
d'un surchauffage. La perlite devient plus fines, sa teneur en carbone est
diminuée et ramenée, par exemple, à 0.75%, quand la teneur
en nickel est de 3% et à 0.45%, quand la teneur en nickel est de 10%.
Le carbure de nickel est très instable. L'effet
graphitisant du nickel est intermédiaire entre celui du cuivre et celui
du silicium. Cet effet est habituellement contrecarré en élevant
le manganèse jusqu'à une teneur de 0.6 à 0.9% (BOUTARFIF
Fatma et GUELAI Noussaida).
Le nickel n'a qu'un effet modéré sur la
trempabilité des aciers. En abaissant la température des points
critiques et la vitesse critique du refroidissement, il permet une plus grande
latitude dans les conditions du traitement thermique. On peut abaisser la
température de trempe, en réduisant ainsi les possibilités
de décarburation superficielle et de déformation. On peut avoir
une trempe moins brutale que celle exigée par des cahiers au carbone
seul. En faisant un revenu après trempe vers des températures de
550° à 650°C. Les aciers au nickel présentent les
meilleurs ensembles de caractéristiques mécaniques.
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Avec de faibles teneurs en carbone, la présence de 2%
de nickel donne un acier très ductile, résistant aux chocs et
à la fatigue aux basses températures et avec des teneurs moyennes
en carbone, il améliore les propriétés
élastiques.
Comme le nickel élargit le domaine gamma, des teneurs
intermédiaires en nickel produisent la structure martensitique,
même avec un refroidissement lent, mais des teneurs encore plus
élevées donneraient à l'acier une structure
austénitique permanente.
II.8. Le silicium :
De même que le carbone, l'élément silicium
est toujours présent dans les aciers industriels. Il forme facilement
des solutions solides avec le fer, aux états delta, gamma ou alpha et
aussi avec la cémentite, en diminuant la solubilité de celle-ci.
Alors qu'il est surtout présent à l'état de solution
solide dans la ferrite, il y en a une petite proportion sous forme
combinée, c'est la silice SiO2, formant dans le métal des
inclusions non métalliques.
Les aciers à hautes teneur en carbone et en silicium
peuvent contenir du carbure de silicium (SiC). Celui-ci, en solution solide,
contribue à produire un grain grossier dans les aciers, alors que sous
la forme d'inclusions dispersées, il a un certain effet pour gêner
le grossissement du grain. Le silicium à l'état allié au
fer, élargit le domaine de la phase alpha du diagramme
d'équilibre, et quand il est présent en quantité
suffisante, les alliages restent constamment ferritiques. En élevant
ainsi le point de transformation, il demande des températures de trempe
plus élevées. Une tendance très dommageable, surtout
lorsque sa teneur 0.50%, est celle qui contribue à décomposer la
cémentite en fer et graphite. On contrecarre cet effet par un apport de
manganèse.
Le silicium améliore la résistance de l'acier
aux températures élevées. Les pellicules d'oxyde
superficiel formées les premières sont adhérentes et
inertes et elles empêchent rapidement une oxydation ultérieure.
Certains des aciers à haute teneur en chrome résistant à
la chaleur contiennent de 1 à 3% de silicium (Philipe Berger).
Néanmoins tous ces éléments jouent un
rôle alphagènes ou gammagènes ou encore
carburigène.
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