acier

L'acier est un alliage de fer et de carbone contenant au maximum environ 1,8 p. 100 de carbone. Il s'agit de l'un des matériaux les plus utilisés dans le monde moderne, car il associe solidité, résistance, facilité de fabrication et coût relativement faible. Contrairement à la fonte, qui est plus cassante en raison de sa forte teneur en carbone, l'acier est ductile : il peut être déformé, plié, étiré ou comprimé sans se rompre facilement. Cette propriété permet de le mettre en forme par forgeage, laminage, emboutissage ou compression à froid.

Grâce à ses nombreuses qualités mécaniques, l'acier est employé dans presque tous les domaines industriels. On le retrouve dans la construction de bâtiments, de ponts, de voies ferrées, d'automobiles, de navires, d'avions, de machines-outils, d'électroménagers et de milliers d'objets de la vie quotidienne. Selon sa composition et les traitements qu'il reçoit, il peut devenir plus dur, plus résistant à l'usure, plus flexible ou encore plus résistant à la corrosion.

Composition

Les éléments qui composent l'acier sont principalement alliés au fer. Le plus important d'entre eux est le carbone, dont la teneur se situe généralement entre 0,2 et 0,7 p. 100, bien qu'elle puisse atteindre jusqu'à 1,8 p. 100 dans certains aciers particuliers. Le carbone influence fortement la dureté et la résistance du matériau : plus sa proportion augmente, plus l'acier devient dur et résistant, mais aussi plus il perd en ductilité et en facilité de soudage.

Le silicium est également présent dans la plupart des aciers, en proportion de 0,1 à 0,7 p. 100, voire jusqu'à 4 p. 100 dans certains aciers spéciaux. Il améliore notamment les propriétés électriques et mécaniques de certains alliages. Le manganèse est un autre élément très fréquent. Sa teneur varie généralement entre 0,3 et 0,8 p. 100, mais peut atteindre 12 à 15 p. 100 dans les aciers à très grande dureté ou à forte résistance à l'usure.

Le manganèse joue un rôle important, car il aide le fer à conserver sa capacité au soudage, propriété qui diminue lorsque l'acier contient plus de 0,15 p. 100 de carbone. D'autres éléments peuvent être ajoutés pour obtenir des caractéristiques particulières, notamment le nickel, le molybdène, le vanadium, le chrome, le cuivre ou le tungstène.

Certaines substances sont toutefois considérées comme des impuretés nuisibles. Le soufre, le phosphore et l'oxygène sont indésirables, même lorsqu'ils ne sont présents qu'en très faibles quantités. Le soufre réduit la malléabilité de l'alliage, tandis que le phosphore le rend plus cassant et plus fragile. L'oxygène peut aussi nuire à la qualité du métal en favorisant certaines imperfections internes.

Structure

Les propriétés physiques et mécaniques des différents types d'acier dépendent surtout de leur teneur en carbone et de la manière dont ce carbone est réparti dans le fer. Avant tout traitement thermique, la plupart des aciers sont constitués d'un mélange de ferrite et de cémentite.

La ferrite est une forme de fer relativement douce et ductile, contenant seulement de petites quantités de carbone dissous. Elle donne à l'acier sa capacité à être déformé sans casser. La cémentite, au contraire, est un composé très dur et cassant contenant environ 7 p. 100 de carbone. Plus la proportion de cémentite est élevée, plus l'acier devient dur et résistant, mais aussi plus il devient fragile.

La résistance, la dureté et la souplesse d'un acier non traité dépendent donc de l'équilibre entre ces deux constituants. Les spécialistes peuvent étudier cette structure interne grâce à la métallographie, discipline qui consiste à observer les métaux au microscope. Aujourd'hui, le microscope électronique permet de distinguer très précisément les différentes phases et les particules présentes dans l'acier.

Traitements thermiques

Les traitements thermiques servent à modifier les propriétés mécaniques de l'acier sans changer sa composition chimique globale. Ils consistent à chauffer le métal à une certaine température, puis à le refroidir plus ou moins rapidement selon l'effet recherché. Ces traitements permettent d'augmenter la dureté, la résistance, l'élasticité ou la ténacité de l'acier.

Trempe

La trempe constitue le procédé de base du durcissement de l'acier. Elle consiste à chauffer le métal jusqu'à une température où se forme l'austénite, généralement aux environs de 800 °C. L'austénite est une solution solide de carbone dans le fer. Lorsque l'acier est ensuite refroidi brusquement dans de l'eau, de l'huile ou parfois dans un autre liquide, cette austénite se transforme en martensite.

La martensite est une structure très dure qui donne à l'acier une grande résistance mécanique. Toutefois, un acier trempé devient aussi plus fragile. Pour éviter qu'il ne casse trop facilement, on effectue souvent un revenu après la trempe afin de diminuer légèrement sa dureté tout en améliorant sa ténacité.

L'objectif général des traitements thermiques est de contrôler la quantité, la taille, la forme et la répartition des particules de cémentite dans la ferrite. Ces différents paramètres influencent directement les propriétés finales du métal.

Trempe étagée

Il existe de nombreuses variantes de la trempe classique. Les métallurgistes ont constaté que l'austénite ne se transforme en martensite qu'à la fin du refroidissement, et que cette transformation s'accompagne d'un changement de volume important. Si le refroidissement est trop brutal, ce changement peut provoquer des fissures ou même casser la pièce métallique.

Pour limiter ces risques, plusieurs procédés ont été mis au point. Dans la trempe étagée, l'acier est retiré du bain avant la fin de la transformation en martensite, puis il est refroidi plus lentement à l'air ou dans l'eau. Cette méthode permet de réduire les contraintes internes et de diminuer les risques de déformation ou de fissuration.

Mise en forme

L'acier est commercialisé sous de nombreuses formes : tiges, plaques, tuyaux, fils, rails de chemin de fer, poutrelles, profilés en T, câbles, tôles ou pièces moulées. Ces différentes formes sont obtenues dans les aciéries grâce à des procédés de transformation adaptés.

Le principal procédé de mise en forme est le laminage à chaud. Dans cette opération, un lingot ou une grande masse d'acier est chauffé au rouge dans un four, puis comprimé entre plusieurs paires de rouleaux métalliques. Au fur et à mesure que l'acier passe entre ces rouleaux, il s'allonge et son épaisseur diminue progressivement jusqu'à atteindre la forme désirée.

Les premiers rouleaux, appelés laminoirs dégrossisseurs, produisent de grosses barres carrées nommées blooms. Ces blooms passent ensuite dans des laminoirs de finissage qui leur donnent leurs dimensions définitives. Certains rouleaux sont rainurés afin de produire des formes particulières, comme des rails de chemin de fer, des poutrelles ou des profilés destinés à la construction.

Classification des aciers

Les aciers peuvent être classés de différentes façons : selon leur mode de fabrication, leur structure interne, leur teneur en carbone, leur destination ou leur composition chimique. D'après leur composition, on distingue principalement les aciers ordinaires et les aciers alliés, aussi appelés aciers spéciaux.

Aciers ordinaires

Les aciers ordinaires représentent plus de 90 p. 100 de la production totale. Ils contiennent des proportions variables de carbone, de manganèse, de silicium, de soufre et de phosphore. Leur coût relativement faible et leur facilité de fabrication expliquent leur emploi très répandu.

Ils servent à fabriquer des machines, des automobiles, des outils, des bâtiments, des coques de navires, des charpentes métalliques et de nombreuses infrastructures. Cependant, pour certaines utilisations nécessitant une résistance particulière à la corrosion, à la chaleur ou à l'usure, on préfère employer des aciers spéciaux.

Aciers alliés ou spéciaux

Les aciers spéciaux contiennent, en plus des éléments habituels, des quantités importantes de nickel, de chrome, de molybdène, de vanadium, de cuivre ou d'autres métaux. Lorsque la proportion totale de ces éléments d'addition reste inférieure à 5 p. 100, on parle d'acier faiblement allié. Au-delà de cette limite, on parle d'acier fortement allié.

Aciers au nickel

Les aciers au nickel contiennent entre 2 et 40 p. 100 de nickel. Les alliages à faible teneur sont utilisés dans les pièces de moteurs et les composants mécaniques, car ils possèdent de bonnes propriétés de trempe et une résistance élevée. Lorsque le nickel est présent en grande quantité, il améliore fortement la résistance à la corrosion.

Aciers au chrome

Les aciers au chrome contiennent de 1 à 18 p. 100 de chrome. Cet élément augmente la résistance à l'usure et à la rupture, mais peut aussi rendre le métal plus fragile. Les aciers contenant moins de 4 p. 100 de chrome sont souvent employés pour fabriquer des roulements, des outils et des pièces mécaniques soumises à de fortes contraintes.

Aciers au nickel-chrome

Parmi les aciers au nickel-chrome, on distingue les aciers perlitiques, utilisés en construction mécanique, et les aciers austénitiques, qui contiennent davantage de nickel et de chrome. Ces derniers correspondent notamment aux aciers inoxydables et à certains aciers réfractaires capables de résister à de très hautes températures.

Les aciers inoxydables contiennent généralement plus de 10 p. 100 de chrome. Ce chrome forme à la surface du métal une couche protectrice qui empêche la corrosion. Ces aciers sont souvent brillants, faciles à nettoyer et très résistants. On les utilise dans la fabrication de tuyaux, de réservoirs, d'appareils ménagers, d'avions, de capsules spatiales, d'ustensiles de cuisine et d'éléments décoratifs pour l'architecture.

Autres aciers alliés

Les aciers au manganèse offrent une très bonne résistance à l'usure et servent notamment dans la fabrication de rails, de concasseurs ou de pièces soumises à de forts chocs. Les aciers au silicium sont utilisés pour fabriquer des ressorts ou des composants électriques. Quant aux aciers au tungstène, ils entrent dans la fabrication d'aimants permanents et d'outils capables de conserver leur dureté à haute température.