Fabrication de
l’acier: le fer est un des éléments les
plus abondants de la croûte terrestre. On le trouve un peu
partout combiné à d’autres éléments,
sous forme de minerai. Si la température est relativement
basse, on produit du fer sous forme pâteuse qu’il fallait
ensuite marteler à chaud pour le débarrasser de ses
impuretés, avant de le forger. Avec l’augmentation de
température ce fer absorbe une quantité croissante de
carbone, jusqu’à donner un produit en fusion: la
fonte, qui n’est ni forgeable ni soudable, mais est
moulable, la rendant apte à la fabrication de toute sorte
d’objets.
Moyens pratiques de reconnaître la nuance d'acier et/ou son mode de fabrication: seuls des essais précis en laboratoire permettent d'identifier correctement et sans erreurs la nuance d'acier. Toutefois l'essai aux étincelles permet avec une certaine approximation d'estimer le % de carbone et de certains éléments d'addition:
L'aspect extérieur permet en outre de distinguer trés facilement:
La fonte permet aussi
de produire du fer en quantité par affinage: la fonte
chauffée et soumise à de l’air soufflé se
décarbure, et le fer s’écoule goutte à
goutte, formant une masse pâteuse de fer brut. Par la suite des
procédés de fabrication de l’acier furent mis au
point, dabord par fusion du fer d’affinage, puis par transformation
directe de la fonte en acier (puddlage). On distingue classiquement :
- Fer (aciers à très bas carbone): <0.1% de carbone
- Acier: de 0.1 à 2% de carbone
- Fonte: de 2.5 à 6% de carbone; très résistante en compression, mais cassante. Résistance remarquable à la corrosion et coefficient de dilatation thermique très bas
Parmi les aciers au
carbone, on distingue:
Etapes de
fabrication des produits en acier:
-
Elaboration
d’acier liquide à partir du minerai (filière
fonte) ou à partir de ferraille (filière électrique,
plus économique). un des buts principaux est l’ajustage
de la composition chimique qui va déterminer les qualités
de l’acier
-
Le minerai de
fer est broyé, criblé, puis homogénéisé
et se présente sous forme de grains qui s’agglomèrent
entre eux
-
Le charbon est transformé en coke pour
la combustion dans les haut-fourneaux (on doit le débarrasser de
ses impuretés et de son humidité). Le coke est du carbone
presque pur se présentant sous forme d’une structure
poreuse et résistante à l’écrasement. Le
coke va apporter la chaleur nécessaire à la fusion du
minerai ainsi que les gaz nécessaires à sa
réduction
-
Minerai et coke
sont enfournés par le haut du fourneau, par couches
alternées. De l’air chaud est insufflé par la
base et provoque la combustion du coke. C’est le
monoxyde de carbone qui va réduire les oxydes métalliques
-
Le minerai fondu
s’appelle fonte, et sur cette masse liquide flotte les
résidus (impuretés) appelés gangue, récupérés
pour d’autres industries
-
La fonte part à
l’aciérie dans des wagons thermos spéciaux
-
A l’aciérie
la fonte est décarburée dans des convertisseurs à
oxygène et on obtient de l’acier sauvage. On
récupère la aussi les résidus pour d’autres
usages. L’acier sauvage est acheminé vers la station
d’affinage où on ajuste la composition chimique de
l’acier par décarburation et addition d’éléments
chimiques (mise à nuances)
- L’acier liquide est solidifié par moulage dans une machine de coulée continue (procédé récent et prédominant, permettant d’obtenir directement des demi-produits sans l’étape de laminage) ou en lingots (méthode en régression). On obtient des demi-produits (brames (ébauches de produits plats), blooms (futur produits longs, section rectangulaire), billettes (section carrée)), qui sont des ébauches des formes finales.
-
Les demi-produits
sont transformés en produits finis par laminage, procédé
principal de mise en forme consistant à étirer et
écraser le métal à chaud pour lui donner les
formes et dimensions souhaitées (les produits finis peuvent
aussi dans une moindre mesure être forgés, moulés
ou fabriqués à partir de poudres d’alliages).
Pour une large part de produits plats, cette opération est
complétée par un laminage à froid afin d’en
réduire encore l’épaisseur, et parfois aussi
pour faire l’objet d’un parachèvement (e.g.
galvanisation).
Moyens pratiques de reconnaître la nuance d'acier et/ou son mode de fabrication: seuls des essais précis en laboratoire permettent d'identifier correctement et sans erreurs la nuance d'acier. Toutefois l'essai aux étincelles permet avec une certaine approximation d'estimer le % de carbone et de certains éléments d'addition:
- produit moulé: dépouille, plan de joint, peau rugueuse
- produit forgé: dépouille, plan de joint, peau lisse, calamine
- produit étiré à froid: surface extérieure brillante et lisse
- produit laminé à chaud: oxydation
Fer
pur: Le fer pur a une structure en réseau cristallin régulier
qui subit des transformations réversibles lorsque la
température varie:
Fer a
pour des températures inférieures à 900°C;
composé peu tenace et très ductile
|
structure
cristalline cubique centrée, existant à la
température ambiante
|
Fer g pour
des températures comprises entre 900° et 1400°C
|
Structure
cristalline cubique à face centrée, vers 910°C
|
Fer d
pour des températures comprises entre 1400° et 1530°C
|
Retour
à la structure cristalline cubique centrée, vers
1390°C
|
Fusion
|
Vers
1530°C
|
Le carbone
constituant essentiel: une bonne part des
caractéristiques des aciers de construction dépend de
cet élément et de son agencement dans la structure du
métal. D’une manière générale
l’augmentation de la teneur en carbone a pour résultats:
- Relèvement de la dureté
- Accroissement de la résistance à la traction
- Raccourcissement du palier de ductilité
- Diminution de l’allongement à la rupture
- Elévation de la sensibilité à la trempe
- Dégradation de la soudabilité
Influence
de la teneur en carbone sur les courbes de traction:
Schéma type de la génèse des grains | |
Lors
de son refroidissement, un acier à l’état
liquide commence assez vite à être le siége
de germination, appelées dendrites
|
|
Puis
les dendrites se développent comme de petits arbres:
c’est la germination.
|
|
Chaque
germe donne ensuite naissance à un grain. La taille
de ces grains a une grande importance sur les caractéristiques
mécaniques de l’acier. Des opérations
comme le laminage peuvent l’affiner.
|
Essais
métallographique:
ils consistent en l’examen visuel (œil nu ou microscope)
de la surface polie d’une éprouvette de métal. On
peut ainsi visualiser de nombreux paramètres dont: la
vitesse de refroidissement, la grosseur des grains, l’homogénéité,
la présence d’impuretés, etc.
Autres
composants:
Impuretés
(présence
involontaire)
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Phosphore
(P)
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grossissement
du grain entraînant une fragilité à froid
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Effet
de ségrégation chimique
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Baisse
de la soudabilité
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Soufre
(S)
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Diminution
de la résilience
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Augmentation
des hétérogénéités
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Baisse
de la forgeabilité
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Azote
(N)
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Diminution
de la résilience
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Accroissement
de la sensibilité au vieillissement
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||
Baisse
de la soudabilité
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Eléments
d’additions et alliages
(ajout
volontaire)
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Silicium
(Si)
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Calmage
de l’acier
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Augmentation
des caractéristiques mécaniques
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||
Amélioration
de la tenue à la corrosion
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||
Manganèse
(Mn)
|
Amélioration
des caractéristiques mécaniques
|
|
Amélioration
de la ductilité
|
||
Cuivre
(Cu)
|
Amélioration
de la tenue à la corrosion
|
|
Chrome
(Cr)
|
Amélioration
de la tenue à la corrosion
|
|
Augmentation
des caractéristiques mécaniques
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||
Nickel
(Ni)
|
Amélioration
de la tenue à la corrosion
|
|
Réduction
de la fragilité aux basses températures
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||
Vanadium
(V)
|
Augmentation
des caractéristiques mécaniques
|
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Aluminium
(Al)
|
Calmage
de l’acier
|
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Agent
d’affinement du grain
|
Diagramme
fer/carbone:
Généralement
le carbone se met en place par solutions solides d’insertion,
et non de substitution, car les atomes de carbones sont de taille
réduite. Suivant les cas plusieurs constituants peuvent se
former:
Ferrite: fer a associé à l’infime teneur en carbone compatible avec le réseau cubique centré. |
|
Austénite: fer b et carbone en teneur plus élevée du fait de la meilleure solubilité dans le réseau cristallin cubique à faces centrées (jusqu’à 1.9%) |
|
Cémentite:
carbure de fer Fe3C (teneur en carbone 7%) (localisés dans
les joints de grains, car extérieur au réseau
cristallin)
|
|
Graphite:
carbone en excès dans le fer, donc à l’état
libre et localisé dans les joints de grains
|
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Perlite:
mélange eutectoïde à 0.85%. La transformation
ferrite/austénite est brutale à 728°C, à
l’image de la liquéfaction d’un corps pur. A
température ambiante ce mélange est un agrégat
lamellaire de ferrite et de cémentite
|
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Martensite:
|
|
Sorbite:
|
Traitements
mécanique et thermique:
ceux-ci exploitent les transformations cristallines que l’action
mécanique ou la température provoquent, pour modifier la
structure de l’acier; En jouant sur la vitesse de
variation de cette température on donne ainsi des
caractéristiques mécaniques recherchées à
l’acier.
Pour
situer les températures en cause dans les traitements
thermiques, on utilise les repères suivant, appelés
points critiques:
Ecrouissage:
on fait subir au métal des contraintes mécaniques
dans le
domaine plastique par
laminage, forgeage ou tréfilage. Cet écrouissage augmente la limite d’élasticité et provoque un allongement rémanent OO’ |
Recuit:
échauffement, maintien à un palier, puis
refroidissement à l’air calme ou en four.
Ce traitement est utilisé par exemple pour les aciers écrouis par un laminage, forgeage, etc. il permet non pas d’améliorer les qualités de l’acier, mais de lui restaurer ses qualités originelles en éliminant les effets des étapes antérieures liées à la fabrication.
|
Trempe:
échauffement au dessus de 900°C - maintient
jusqu’à complète
austénitisation - refroidissement rapide, voire brutal; l’acier prend grâce à la trempe une structure martensitique, d’une grande dureté et d’une grande fragilité. Pour que cet effet puisse exister, l’acier doit avoir au moins 0.15% de carbone; En dessous ils ne sont plus exposés au risque de fragilisation par effet de trempe.
|
Revenu:
réchauffage après trempe vers 550-600°C,
maintien puis refroidissement en air calme.
Ce traitement atténue les effets de la trempe en libérant les contraintes internes de la structure et l’écrouissage :
|
Contraintes
résiduelles dues au laminage:
des contraintes résiduelles internes peuvent avoir lieu par
refroidissement inégal des différentes zones du
profilé. Plus la pièce formée par laminage est
épaisse et plus elle se refroidira lentement et de manière
non homogène ; de plus ces contraintes internes
entraînent un grossissement du grain et une baisse de la limite
d’élasticité. Voilà pourquoi les normes,
pour un même acier, réduisent la valeur de la limite
élastique en fonction de l’épaisseur de la pièce.
Le
recuit fait en grande partie disparaître ces tensions mais il
réduit aussi la limite élastique. A l’heure
actuelle les procédés de laminage permettent de mettre
en forme l’acier et aussi de lui faire subir un traitement
thermique qui lui restaure ses propriétés :
-
Laminage normalisant N: permet d’obtenir un matériau équivalent à un acier laminé ayant subi un recuit de normalisation
-
Laminage thermomécanique M: permet d’avoir des pièces aux dimensions voulues, avec un cycle de traitement thermique spécialement étudié qui permet d’avoir une résistance mécanique améliorée ainsi que des caractéristiques élevées de ductilité
Désoxydation:
on élimine le carbone grâce à de l’oxygène
qui réagit avec celui-ci. Cependant s’il reste trop
d’oxygène en fin d’opération cela comporte
des inconvénients (dégagement d’oxydes de
carbones dangereux en fin de solidification, formation d’oxydes
de fer fragilisants pour l’acier). On doit également
éliminer l’azote car il entraîne une mauvaise
soudabilité de l’acier. La désoxydation consiste
à éliminer les gaz dissous dans la masse de métal
et en particulier l’oxygène et l’azote.
On
obtient alors des aciers:
- Effervescent: désoxydation peu importante, soudage déconseillé
- Non effervescent
- Calmés: on ajoute des éléments d’addition en quantité suffisante pour fixer la totalité de l’azote présent dans l’acier (souvent de l’aluminium)
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