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alliage métallique à base de fer De Wikipédia, l'encyclopédie libre
Pour l’article ayant un titre homophone, voir Assier.
Pour les articles homonymes, voir Acier (homonymie).
Un acier est un alliage métallique constitué principalement de fer et de carbone. Il se distingue des fontes et des ferroalliages par sa teneur en carbone comprise entre 0,02 % et 2 % en masse. C’est essentiellement cette teneur en carbone qui confère à l'acier ses propriétés. Depuis le XIXe siècle, les aciers sont très utilisés dans l'industrie, le bâtiment et les travaux publics (BTP) et le génie civil et militaire ; purs ou sous forme d'alliages, et souvent améliorés par des traitements thermiques, mécaniques et chimiques agissant sur leurs propriétés mécaniques (recuit, trempe, revenu, cémentation, nitruration et carbonitruration), leur dureté, résilience et de résistance à l'usure et à la corrosion.
L’âge du fer se caractérise par l’adaptation du bas fourneau à la réduction du fer[1],[2],[n 1]. Ce bas fourneau produit une loupe, un mélange hétérogène de fer, d’acier et de laitier, dont les meilleurs morceaux doivent être sélectionnés, puis cinglés pour en chasser le laitier[3].
En poussant le vent, on attise la combustion et la température de fusion du métal est atteinte. On extrait le métal par vidange du creuset : c’est la production au haut fourneau. On obtient alors de la fonte, le fer liquide se chargeant de carbone au contact du charbon de bois. En effet, deux phénomènes complémentaires se déroulent dans le creuset du haut fourneau : le fer se charge de carbone lorsqu’il arrive au contact du charbon de bois, ce qui abaisse son point de fusion. Puis ce métal fondu continue à s’enrichir en carbone, en dissolvant le charbon de bois[n 2]. Les premières coulées de fonte ont été réalisées par les Chinois durant la période des Royaumes combattants (entre -453 et -221)[4]. Ceux-ci savent aussi brûler le carbone de la fonte, en le faisant réagir avec de l’air, pour obtenir de l’acier. Il s’agit du procédé indirect, car l’élaboration de l’acier se fait après l’obtention de la fonte[5],[6]. En Europe et en Asie, durant l’Antiquité, on produisait également de l’acier en recarburant le fer avec des gaz de combustion et du charbon de bois (acier de cémentation).
Réaumur, en réalisant de très nombreuses expériences et en publiant les résultats de ses observations en 1722, fonde la sidérurgie moderne : il est le premier à théoriser le fait que l’acier est un état intermédiaire entre la fonte et le fer pur, mais les connaissances du temps ne lui permettent pas d’être scientifiquement précis[7]. Il faut attendre 1786 pour que la métallurgie devienne scientifique : cette année-là, trois savants français de l’école de Lavoisier, Berthollet, Monge et Vandermonde[8] présentent devant l’Académie royale des sciences un Mémoire sur le fer[9] dans lequel ils définissent les trois types de produits ferreux : le fer, la fonte et l’acier. L’acier est alors obtenu à partir du fer, lui-même produit par affinage de la fonte issue du haut fourneau. L’acier est plus tenace que le fer et moins fragile que la fonte, mais chaque transformation intermédiaire pour l’obtenir augmente son coût.
La révolution industrielle apparaît grâce à la mise au point de nouvelles méthodes de fabrication et conversion de la fonte en acier. En 1856, le procédé Bessemer est capable d’élaborer directement l’acier à partir de la fonte. Son amélioration par Thomas et Gilchrist permet sa généralisation[10],[11]. Ces découvertes mènent à la fabrication en masse d’un acier de qualité (pour l’époque). Enfin, vers la seconde moitié du XIXe siècle, Dmitri Tchernov découvre les transformations polymorphes de l’acier et établit le diagramme binaire fer/carbone, faisant passer la métallurgie de l’état d’artisanat à celui de science.
L'acier est un alliage à base de fer qui contient une teneur en carbone comprise environ entre 0,02 % et 2 % en masse[12], et qui peut contenir d'autres éléments chimiques volontairement ajoutés (éléments d'addition, éléments d'accompagnement) ou non (impuretés).
Les éléments d'addition sont ajoutés de manière intentionnelle pour conférer au matériau les propriétés recherchées. Il s'agit principalement du manganèse (Mn), du chrome (Cr), du nickel (Ni) et du molybdène (Mo).
Les éléments d’accompagnement sont utilisés par l’aciériste en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir un acier conforme à la spécification. C’est le cas d’éléments comme l’aluminium, le silicium, le calcium.
Les impuretés sont des éléments originellement présents dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l’acier. Ce sont le soufre[n 3] (S) et le phosphore (P) présent dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l’étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi que nombre d’autres éléments à bas point de fusion comme l’arsenic (As) et l’antimoine (Sb).
La teneur en carbone affecte fortement la dureté de l’alliage. On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d’autres éléments, principalement métalliques ; on parle alors d’aciers « alliés ». On peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes ou la cémentation) ; on parle alors d’aciers « traités ».
Le carbone a une importance primordiale car c’est lui qui, associé au fer, confère à l’alliage le nom d’acier. Son influence sur les propriétés mécaniques de l'acier est prépondérante. Par exemple, en ce qui concerne l'amélioration de la propriété de dureté, l’addition de carbone est trente fois plus efficace que l'addition de manganèse.
La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l’acier : en dessous de 0,008 %, l’alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2,1 %[14], on entre dans le domaine de l'eutectique fer/carbure de fer ou bien fer/graphite, ce qui modifie profondément la température de fusion et les propriétés mécaniques de l'alliage, et l'on parle de fonte.
Entre ces deux valeurs, l’augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la dureté de l’alliage et à diminuer son allongement à la rupture ; on parle d’aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » selon la « classification traditionnelle ».
| Dureté | Teneur en carbone (%) |
|---|---|
| Acier extra-doux | < 0,15 |
| Acier doux | 0,15 - 0,25 |
| Acier demi-doux | 0,25 - 0,40 |
| Acier demi-dur | 0,40 - 0,60 |
| Acier dur | 0,60 - 0,70 |
| Acier extra-dur | > 0,70 |
Dans les manuels de métallurgie un peu anciens, on peut trouver comme définition de l'acier un alliage fer-carbone où le carbone varie de 0,2 à 1,7 % ; la limite actuelle a été établie à partir du diagramme binaire fer/carbone. Toutefois, il y a des aciers avec des concentrations de carbone supérieures à ces limites (acier lédéburitiques), obtenus par frittage.
On distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage massique de carbone qu’ils contiennent :
La limite de 2,11 % correspond à la zone d’influence de l’eutectique (lédéburite) ; il existe toutefois des aciers lédéburitiques.
Les aciers non alliés (au carbone) peuvent contenir jusqu’à 2,11 % en masse de carbone. Certains aciers alliés peuvent contenir plus de carbone par l’ajout d’éléments dits « gammagènes ».
L’aluminium : excellent désoxydant. Associé à l’oxygène, réduit la croissance du grain en phase austénitique. Au-delà d'un certain seuil, il peut rendre l’acier inapte à la galvanisation à chaud.
Le chrome : c’est l’élément d’addition qui confère à l’acier la propriété de résistance mécanique à chaud et à l’oxydation (aciers réfractaires). Il joue aussi un rôle déterminant dans la résistance à la corrosion lorsqu’il est présent à une teneur de plus de 12 à 13 % (selon la teneur en carbone) et rend l'acier inoxydable. Additionné de 0,5 % à 9 % il augmente la trempabilité et la conservation des propriétés mécaniques aux températures supérieures à l’ambiante (famille des aciers alliés au chrome). Il a un rôle alphagène.
Le cobalt : utilisé dans de nombreux alliages magnétiques. Provoque une résistance à l’adoucissement lors du revenu.
Le manganèse : forme des sulfures qui améliorent l’usinabilité. Augmente modérément la trempabilité.
Le molybdène : augmente la température de surchauffe, la résistance à haute température et la résistance au fluage. Augmente la trempabilité.
Le nickel : rend austénitiques (rôle gammagène) les aciers à forte teneur en chrome. Sert à produire des aciers de trempabilité modérée ou élevée (selon les autres éléments présents), à basse température d’austénitisation et à ténacité élevée après traitement de revenu. C’est l’élément d’alliage par excellence pour l’élaboration des aciers ductiles à basses températures (acier à 9 % Ni pour la construction des réservoirs cryogéniques, acier à 36 % Ni dit « Invar » pour la construction des cuves de méthaniers et des instruments de mesure de précision).
Le niobium : même avantage que le titane mais beaucoup moins volatil. Dans le domaine du soudage il le remplace donc dans les métaux d’apport.
Le phosphore : augmente fortement la trempabilité. Augmente la résistance à la corrosion. Peut contribuer à la fragilité de revenu.
Le silicium : favorise l’orientation cristalline requise pour la fabrication d’un acier magnétique, augmente la résistivité électrique. Améliore la résistance à l’oxydation de certains aciers réfractaires. Utilisé comme élément désoxydant.
Le titane : pouvoir carburigène élevé (comme le niobium) et réduit donc la dureté de la martensite. Capture le carbone en solution à haute température et, de ce fait, réduit le risque de corrosion intergranulaire des aciers inoxydables (TiC se forme avant Cr23C6 et évite donc l’appauvrissement en chrome au joint de grain).
Le tungstène : améliore la dureté à haute température des aciers trempés revenus. Fonctions sensiblement identiques à celles du molybdène.
Le vanadium : augmente la trempabilité. Élève la température de surchauffe. Provoque une résistance à l’adoucissement par revenu (effet de durcissement secondaire marqué).
La structure cristalline des aciers à l’équilibre thermodynamique dépend de leur concentration (essentiellement en carbone mais aussi d’autres éléments d’alliage), et de la température. On peut aussi avoir des structures hors équilibre (par exemple dans le cas d’une trempe). Les différentes microstructures de l’acier sont : austénite, bainite, cémentite, ferrite, martensite et perlite.
La structure du fer pur dépend de la température :
La structure du fer + carbone évolue d’une façon plus complexe en fonction de la température et de la teneur en carbone. Les règles diffèrent selon que l’on est hors de la « zone d’influence » de l’eutectoïde (entre 0 % et 0,022 %), entre 0,022 % et 0,77 % (hypoeutectoïde) ou entre 0,77 % et 2,11 % (hypereutectoïde ; au-delà, il s’agit de fonte). Voir l’étude du diagramme fer-carbone.
D’une manière simplifiée, pour un carbone compris entre 0,022 % et 2,11 % :
Lors du refroidissement d’un lingot, l’acier se solidifie à l’état austénitique. Au cours du refroidissement, à 727 °C, l’austénite se décompose, soit en ferrite + perlite, soit en perlite + cémentite. La vitesse de refroidissement ainsi que les éléments d’alliage ont une importance capitale sur la structure obtenue, et donc sur les propriétés de l’acier. En effet :
De manière générale :
Certains éléments chimiques peuvent « piéger » le carbone pour former des carbures (par exemple le titane ou l’aluminium). Ils empêchent ainsi la formation de cémentite.
On peut modifier la structure de l’acier par des traitements thermomécaniques :
La métallurgie des poudres consiste à compacter de la poudre d’acier et de la chauffer en dessous de la température de fusion, mais suffisamment pour que les grains se « soudent » (frittage). Cela permet de maîtriser la structure de l’acier et son état de surface (en particulier pas de retrait ni de retassure), mais introduit de la porosité.
Il existe des aciers faiblement alliés, à faible teneur en carbone, et au contraire des aciers contenant beaucoup d’éléments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 8 % de nickel et 18 % de chrome en masse).
Chaque pays a son mode de désignation des aciers. Le schéma ci-contre indique la désignation européenne selon les normes EN 10027-1[16] et -2[17]. Cette norme distingue quatre catégories :
Ils sont destinés à la construction soudée, à l’usinage, au pliage, etc. On distingue :
La désignation de ces aciers comprend la lettre indiquant le type d’usage, suivie de la valeur de la limite élastique minimale (Re) exprimée en mégapascals (MPa). À noter qu’il s’agit de la valeur à faible épaisseur, les résistances décroissant avec l’épaisseur[évasif].
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.).
Exemples :
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 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.
Exemples :
Certains aciers sont alliés et ont une excellente résistance à la fatigue mais doivent être protégés de la corrosion alors qu'un acier inoxydable n'a pas ce problème mais est moins homogène. 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.
Exemples de désignation normalisée :
Avec au moins un élément d’addition dépassant les 5 % en masse, ils sont destinés à des usages bien spécifiques. On y trouve des aciers à outils, les aciers inoxydables, 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).
Un exemple de désignation normalisée est X 6 Cr Ni 18-9 (acier avec 0.06% de carbone, 18% de chrome, 9% de nickel)[18] .
Ces aciers présentent une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). Ils sont essentiellement alliés au chrome, élément qui confère la propriété d’inoxydabilité, et au nickel, élément qui confère de bonnes propriétés mécaniques. Les aciers inoxydables sont classés en quatre familles : ferritique, austénitique, martensitique et austéno-ferritique. Les aciers inoxydables austénitiques sont les plus malléables et conservent cette propriété à très basse température (−200 °C).
Leurs applications sont multiples : chimie, nucléaire, alimentaire, mais aussi coutellerie et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone.
Les aciers rapides ont leur propre classification utilisant le symbole HS suivi de leur teneur, respectivement, en tungstène, molybdène, vanadium, cobalt.
Exemple: HS 6-5-2 désigne un acier rapide comprenant 6% de tungstène, 5% de molybdène, 2% de vanadium et 0% de cobalt[18].
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 :
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. La densité d’un acier inox austénitique est typiquement un peu supérieure à 8, en raison de la structure cristalline. Par exemple, la densité d’un acier inoxydable de type AISI 304[20] (X2CrNi18-10) est environ 8,02.
Les aciers ont un module de Young d’environ 200 GPa, 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 généralement 11,7×10-6 °C-1[21].
La soudabilité des aciers est inversement proportionnelle à la teneur en carbone. Toutes les nuances d’acier n’ont pas la même aptitude au soudage et affichent des degrés de soudabilité différents. Certains aciers sont d’ailleurs intrinsèquement non soudables. Pour qu’un acier soit soudable, il est primordial que les aciéristes se préoccupent de la soudabilité des aciers qu’ils produisent dès l’élaboration dans le souci d’optimiser la mise en œuvre ultérieure. À titre d’exemple, un volume du code ASME (équipements sous pression) exige que l’attestation de conformité d’un acier mentionne sans ambiguïté la qualité d’« acier soudable » pour toute pièce à souder d'un ouvrage soumis au code.
Dans certaines circonstances (dans l’industrie nucléaire notamment) l'exposition aux alliages de plomb peut contribuer à la dissolution, l’oxydation et la fragilisation d’aciers[22]
Le traitement thermomécanique est l’association :
Le traitement de surface consiste à modifier la composition chimique ou la structure d’une couche extérieure d’acier. Cela peut être :
Comparativement aux autres alliages métalliques, l’intérêt majeur des aciers réside d’une part dans le cumul de valeurs élevées dans les propriétés mécaniques fondamentales :
D’autre part, leur coût d’élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5 % de l’écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclables grâce à la filière ferraille.
On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion à laquelle on peut toutefois remédier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l’utilisation de nuances d’acier dites « inoxydables ». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables, donc peu recommandés pour les pièces volumineuses de formes complexes (bâtis de machines, par exemple). On leur préfère alors des fontes. Enfin, lorsque leur grande masse volumique est pénalisante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d’aluminium, titane, composites, etc.), qui ont l’inconvénient d’être plus chers.
Lorsque le prix est un critère de choix important, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d’application technique : équipements publics (ponts et chaussées, signalisation), industrie chimique, pétrochimique, pharmaceutique et nucléaire (équipements sous pression, équipements soumis à l’action de la flamme, capacités de stockage, récipients divers), agroalimentaire (conditionnement et stockage), bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industrie mécanique et thermique (moteurs, turbines, compresseurs), automobile (carrosserie, équipements), ferroviaire, aéronautique et aérospatial, construction navale, médical (instruments, appareils et prothèses), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), mobilier, design et équipements électroménagers, etc.
Sept facteurs au moins déterminent le coût de production d’un acier :
L’impact des six premières exigences peut avoir une incidence de quelques dizaines d’euros la tonne à plus de 50 % du prix de base (le prix de base étant le prix de l’acier standard conforme à la norme et sans aucune option), d’où l’importance, avant toute passation de commande, de consulter le vendeur ou l’aciériste (qu’on appelle aussi « forge » ou « fonderie ») sur la base d’une spécification technique d’achat rédigée en accord avec les exigences techniques contractuelles et/ou administratives. Le 7e point quant à lui n’a pas de limite rationnelle.
De nouveaux types d'aciers spéciaux pourraient être bioinspirés, par exemple en imitant le principe constructif de l'os. Ainsi en 2016-2017, des chercheurs ont produit un acier imitant l'os[23]. Au sein de l'os, des fibres nanométriques de collagène forment une structure stratifiée, dont les couches sont orientées dans des directions différentes. Aux échelles millimétriques, l'os a une structure en mie de pain organisée en treillis (ensemble ordonné) qui le consolide en empêchant la propagation de fissures dans toutes les directions et à partir de n’importe quel point[23]. Des métallurgistes s'en sont inspirés pour produire un acier nanostructuré incluant des alliages différents (avec des duretés différentes)[23]. Pour s’y propager, une fissure doit suivre un chemin complexe et vaincre de nombreuses résistances, car les nano-parties souples de l’assemblage absorbent l'énergie des contraintes, même répétées, pouvant même refermer les microfissures juste après leur apparition[23].
Des aciers légers (éventuellement « imprimés en 3D ») deviennent envisageables pour créer des ponts, robots, engins spatiaux ou sous-marins ou véhicules terrestres ou des structures qu’on veut rendre plus résistants aux fissures ou plus exactement à la propagation de fissures risquant de conduire à une fracture de l’ensemble[23].
L'industrie sidérurgique est souvent considérée comme un indicateur du progrès économique en raison du rôle crucial joué par l'acier dans le développement des infrastructures et de l'ensemble du développement économique[24]. En 1980, les États-Unis comptaient plus de 500 000 sidérurgistes. En 2000, le nombre de sidérurgistes était tombé à 224 000[25].
L'essor économique en Chine et en Inde a entraîné une augmentation massive de la demande en acier. Entre 2000 et 2005, la demande mondiale d'acier a augmenté de 6%. Depuis 2000, plusieurs entreprises sidérurgiques indiennes[26] et chinoises ont pris de l'importance, telles que Tata Steel (qui a acheté le Corus Group en 2007), Baosteel Group et Shagang Group. En 2017, cependant, ArcelorMittal est le plus grand producteur mondial d'acier[27]. En 2005, le British Geological Survey a déclaré que la Chine était le premier producteur d'acier avec environ un tiers de la part mondiale; le Japon, la Russie et les États-Unis suivaient respectivement[28]. La grande capacité de production d'acier entraîne également une quantité significative d'émissions de dioxyde de carbone inhérentes à la principale voie de production. En 2021, on estimait que près de 7 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre provenaient de l'industrie sidérurgique[29],[30],[31]. La réduction de ces émissions devrait provenir d'un changement dans la voie de production principale utilisant des cokes, d'un recyclage accru de l'acier et de l'application de la capture et du stockage de carbone ou de la technologie de capture et d'utilisation du carbone.
En 2008, l'acier a commencé à être négocié en tant que matière première sur la London Metal Exchange. À la fin de 2008, l'industrie sidérurgique a connu une forte baisse qui a conduit à de nombreuses réductions[32].
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