L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008 à environ 2,14 % en masse). La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l'acier : en deçà de 0,008 %, l'alliage est plutôt malléable et on parle de " fer " ; au-delà de 2,14 %, les inclusions de carbone (Table complète - Table étendue) sous forme graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte. Entre ces deux valeurs, l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres...) et la dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.) de l'alliage ; on parle d'aciers " doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs " (classification traditionnelle).

On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d'autres éléments, principalement métalliques, et on parle d'aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes) prenant en surface (Il existe de nombreuses acceptions au mot surface, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, souvent abusivement confondu avec sa mesure - l'aire ou la superficie.) ou à cœur de la matière ; on parle alors d'aciers traités.

Outre ces diverses potentialités, et 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 :

• résistance aux efforts : module d'élasticité, limite élastique, résistance mécanique ;
• dureté ;
• résistance aux chocs (résilience).

D'autre part, leur coût d'élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (La Terre, foyer de l'humanité, est surnommée la planète bleue. C'est la troisième planète du système solaire en partant du Soleil.) (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 ( Une filière est une suite de formalités, d'emplois à remplir avant d'arriver à un certain résultat : la filière administrative. En gestion des ressources humaines, on parle de...) ferraille.

On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion, mais à laquelle on peut remédier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l'addition d'éléments réalisant des nuances 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 masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau...) est compromettante (dans secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) plus légers (alliages à base d'aluminium, composites, etc.), mais parfois beaucoup plus chers.

De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d'application technique : équipements publics (rails, signalisation), bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), moyens de transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) (carrosseries, transmission), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette). Les aciers sont aussi très présents dans des produits destinés au grand public (meubles, ustensiles de cuisine) : cette liste est loin d'être exhaustive.

Histoire de l'acier (L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008 à environ 2,14 % en masse). La teneur en carbone a une influence...)

Depuis l'Âge du fer, on utilisait les bas fourneaux pour produire des massiots composés de fer et d'acier, qui devait ensuite être travaillé à la main par les forgerons.

On considère souvent Réaumur comme le fondateur de la sidérurgie scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) moderne. Il réalise de très nombreuses expériences afin d’améliorer la fabrication de l’acier et publie le résultat de ses observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) en 1712.

L'acier est apparu par l’évolution de la métallurgie (La métallurgie est la science des matériaux qui étudie les métaux, leurs élaborations, leurs propriétés, leurs traitements.), vers 1786. Cette année-là, trois savants français, Berthollet, Gaspard Monge et Vandermonde, caractérisèrent trois types de produits obtenus à partir de la coulée des hauts-fourneaux : le fer, la fonte et l'acier. L'acier était alors obtenu à partir du fer, lui-même produit par affinage de la fonte issue du haut-fourneau. L’acier était plus dur que le fer et moins fragile que la fonte.

Au XIX^e siècle sont apparues des méthodes de fabrication directe de conversion de la fonte, avec les convertisseur Bessemer en 1856 (Henry Bessemer) le procédé Thomas-Gilchrist en 1877 (Sidney Gilchrist Thomas et Percy Carlyle Gilchrist de déphosphoration de la fonte et Siemens-Martin. Ces découvertes, permettant la fabrication en masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur interaction gravitationnelle.) d'un acier de " qualité " (pour l'époque), participent à la Révolution industrielle. Enfin, vers la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est...) moitié du XIX^e siècle, Dmitry Chernov découvre les transformations polymorphes de l’acier et établit le diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie etc. employé dans tous...) binaire fer/carbone, faisant passer la métallurgie de l’état d’artisanat (L'artisanat est une technique de production artisanale, c'est-à-dire une production manuelle ou de petite envergure. Par extension, elle inclut les personnes qui produisent selon ces critères.) à celui de science (La science (du latin scientia, connaissance) relève Historiquement de l'activité philosophique, et fut pendant longtemps un exercice spéculatif visant à élucider les mystères du monde par l'exercice de la raison. À la fin du Moyen Âge, la...).

Fabrication de l'acier

Composition des aciers

On distingue plusieurs types d'aciers selon le pourcentage (Un pourcentage est une façon d'exprimer une proportion ou une fraction dans un ensemble. Une expression comme « 45 % » (lue « 45 pour cent ») est en réalité la...) de carbone qu'ils contiennent :

• les aciers hypoeutectoïdes (de 0,008 à 0,77 % de carbone) qui sont les plus mous ;
• les aciers eutectoïdes (0,77 % de carbone) ;
• les aciers hypereutectoïdes (de 0,77 à 2,11 % de carbone) qui sont les plus durs ;

La structure cristalline des aciers à l'équilibre thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en équilibre. La première définition...) dépend de leur concentration (essentiellement en carbone mais aussi des autres éléments d'alliage), et de la température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres...). On peut aussi avoir des structures hors équilibre (par exemple dans le cas d'une trempe).

La structure du fer pur dépend de la température :

• en dessous de 721°C et au-dessus de 1 400°C le fer (fer α) a une structure cristalline cubique à corps centré (structure cristalline à température ambiante) ;
• entre 721°C et 950°C jusqu'à 1 400°C le fer (fer γ) a une structure cristalline cubique à faces centrées.

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 ".

Le carbone provient du procédé de réduction du minerai, qui se fait avec du coke dans un haut-fourneau. Selon les propriétés désirées, on ajoute ou on enlève des éléments d'alliage :

• le bore renforce la cohésion des joints de grains, on en ajoute parfois en faible teneur (quelques centaines de ppm en masse) ;
• le soufre fragilise l'acier, par précipitation de sulfures aux joints de grains, on l'enlève donc lors de l'élaboration ;
• le nickel et le chrome protègent de la corrosion en venant former une couche passive, ils sont donc présents dans les aciers dits " inoxydables " ;
• mais aussi le magnésium, l'aluminium, le silicium, le titane, le manganèse, le cobalt, le zinc, l'yttrium...

Les différentes phases de l'acier
Austénite Bainite Cémentite Ferrite Martensite Perlite

Différentes " familles " d'aciers

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 10 % de nickel et 18 % de chrome en masse).

Différentes classifications

Anciennes normes françaises

En France, les aciers ont d'abord été classés selon leur ductilité : acier extra doux, doux (Adx), demi-doux, demi-dur…

Puis, on les a classé selon leur résistance à la rupture, R_max, exprimée en kg/mm², sous la dénomination " A R_max " (par exemple, l'acier " A 33 " avait une résistance à la rupture de 33 kg/mm²).

Puis, on les a classé selon leur limite élastique R_e, sous la dénomination " E R_max " (par exemple, l'acier " E 24 " avait une limite élastique de 24 kg/mm²). On peut établir les équivalences suivantes entre les deux normes :

Équivalences entre les normes " A " et " E "

Norme E	Norme A
E 24	A 37
E 26	A 42
E 30	A 48
E 36	A 52

À l'époque, la principale préoccupation était donc mécanique. On a créé d'autres normes selon les domaines. Par exemple, pour les tubes, on parlait d'acier " Tu 37 a " (" Tu " pour tube, " 37 " est le module à la rupture en kg/mm², " a " indique la pureté).

Au fur et à mesure, la composition de l'acier, l'alliage, est devenu de plus en plus important. On a donc abandonné les propriétés mécaniques pour indiquer la teneur en différents éléments. Pour les aciers non alliés, on distinguait la série CC de la série XC ; cette dernière avait un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) plus important sur la composition, et notamment une teneur en soufre et en phosphore (éléments fragilisants) plus basse. On indiquait la teneur en carbone en pourcentage massique multiplié par 100 :

• série CC :
  • CC 10 : teneur moyenne (Il y a plusieurs façon de calculer une moyenne d'un ensemble de nombres. Celle qu'il convient de retenir dépend de la grandeur physique que représentent ces...) en carbone de 0,10 % ;
  • CC 20 : teneur moyenne en carbone de 0,20 % ;
  • CC 35 : teneur moyenne en carbone de 0,35 % ;
• série XC
  • XC 10 : teneur moyenne en carbone de 0,09 % ;
  • XC 12 : teneur moyenne en carbone de 0,13 % ;
  • XC 18 : teneur moyenne en carbone de 0,19 % ;
  • XC 25 : teneur moyenne en carbone de 0,26 % ;
  • XC 32 : teneur moyenne en carbone de 0,32 % ;
  • XC 38 : teneur moyenne en carbone de 0,38 %.

Pour les aciers faiblement alliés, on indiquait la teneur en carbone comme ci-dessous, puis la liste des éléments d'alliage par ordre de teneur décroissante, suivi d'un coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de...) de teneur pour l'élément le plus concentré, la teneur étant obtenue en divisant le coefficient par un facteur de 4 ou 10 selon les éléments.

Éléments d'alliage selon la norme Afnor

Élément	Symbole	facteur	teneur minimale en %
aluminium (Al)	A	10	0,30
chrome (Cr)	C	4	0,25
cobalt (Co)	K	4	0,10
manganèse (Mn)	M	4	1,2
molybdène (Mo)	D	10	0,10
nickel (Ni)	N	4	0,5
niobium (Nb)	Nb	10	0,10
plomb (Pb)	Pb	10	0,10
silicium (Si)	S	4	1,0
soufre (S)	F	10	0,10
titane (Ti)	T	10	0,30
tungstène (W)	W	10	0,30
vanadium (V)	V	10	0,05

Par exemple, l'acier 35 NCD 16 est un acier ayant environ 0,35 % de C, contenant environ 4 % de Ni, ainsi que du Cr et du Mo en pus faible teneur. En l'occurrence, la norme indique :

• C : 0,30 – 0,37 % ;
• Ni : 3,70 – 4,20 % ;
• Cr : 1,60 – 2 % ;
• Mo : 0,3 – 0,5 %.

Les aciers fortement alliés commençaient par " Z ", suivi de la teneur en carbone (comme ci-dessus), et de la liste des éléments avec leur teneur — sans facteur multiplicatif. par exemple, l'acier Z 6 CN 18-09 contient environ 0,06 % de C, environ 18 % de Cr et 9 % de Ni.

Anciennes normes des états-unis

Exemple de dénominations :

• ASTM A53 et A 106 : Grade (Le mot grade a plusieurs significations :) A — Grade B — Grade C ;
• ASTM A 333 : Grade 1 — Grade 6 ;
• API 5 A : H 40 — J 55 — K 55 — N 80 ;
• API 5 L : Grade A — Grade B ;
• API 5 LX : X 42 — X 46 — X 52 — X 56 — X 60 — X 65 — X 70 ;
• API 5 AX : P 105 — P 110 — S 135.

Anciennes normes allemandes

Exemple de dénominations :

• DIN 1629 : St 35 — St 45 — St 52 ;
• DIN 17-175 : St 35-8 — St 45-8 ;
• DIN 17-172 : USt 34-7 — RSt 34-7 — USt 38-7 — RRSt 38-7.

Aciers non alliés

Aciers non alliés à usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) général (types S, E, ...)

Ils ont une faible teneur en carbone et sont les plus utilisés, leurs qualités pouvant varier. Leurs applications vont de la construction soudée à l'ameublement en passant par l'électroménager (Le terme électroménager caractérise tous les appareils et outils utilisant l'électricité et, destinés à assurer des besoins domestiques, par opposition aux outils et...).

Aciers spéciaux (type C)

Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à des usages définis à l'avance.

Leurs applications courantes sont les forets (perceuses), ressorts, arbres de transmission, matrices (moules), …

Aciers inoxydables

L'acier inoxydable est une des trois grandes familles d'aciers qui présente une grande résistance à la corrosion, à l'oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). C'est un acier allié au nickel et au chrome. Ses applications sont multiples: chimie (La chimie est la science qui étudie la composition et les réactions de la matière.), nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), mais aussi couteaux et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 12 % de chrome.

Autres aciers alliés

Aciers faiblement alliés

Aucun élément d'addition ne dépassant 5 % en masse, ils sont utilisés pour des applications nécessitant une haute résistance.

Un exemple de désignation normalisée: 35 NiCrMo16. Le premier chiffre (Un chiffre est un symbole, représentant une valeur numérique, employé pour représenter des nombres. Le mot « chiffre » vient de l'arabe sifr (????????? ?a?-?ifr), utilisé pour « zéro » et signifiant « le vide »....) (35) représente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Ni, Cr et Mo) et leurs pourcentages respectifs multipliés par un coefficent dépendant de sa nature définie par le tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) dessous.

Élément d'addition	coefficient
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W	4
Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr	10
Ce, N, P, S	100
B	1 000

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), Hadfields (très grande résistance à l'usure), à roulements.

Un exemple de désignation normalisée: X2CrNi18-9 où X est la lettre représentant les aciers fortement alliés, le premier chiffre (2) représente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Cr et Ni) et leurs pourcentages respectifs donc ici on a un acier fortement allié avec 0,02 % de carbone allié avec du chrome à hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 18 % et de nickel à hauteur de 9 %.

Les aciers rapides (HS) font partie de cette famille et sont décrits par les lettres HS suivies de la teneur des éléments d'alliages suivants: W, Mo, V, Co

Aciers multiphasés

Ces aciers sont conçus suivant les principe des composites: par des traitements thermiques et mécaniques, on parvient à enrichir localement la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace et la quantité de matière se mesure à l'aide de la masse...) certains en éléments d'alliage. On obtient alors un mélange (Un mélange est une réunion de deux ou plusieurs substances.) de phases dures et de phases ductiles, dont la combinaison (Une combinaison peut être :) permet l'obtention de meilleures caractéristiques mécaniques. On citera, par exemple:

• 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 (lien)
• les aciers Dual Phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (En météorologie maritime: Un grain est un vent violent et de peu de durée qui s'élève soudainement et qui est généralement accompagné de précipitations. Il se produit généralement au passage d'une ligne d'orages. Voir...).
• les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity), où la ferrite 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.

Propriétés des aciers

Ils ont un module de Young d'environ 210 GPa, indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermo-mécanique et des traitements de surface auxquels ils ont été soumis.

Le traitement thermo-mécanique est l'association :

• d'un traitement thermique (Le traitement thermique d'une pièce consiste à lui faire subir des transformations de structure grâce à des cycles prédéterminés de chauffage et de refroidissement afin d'en améliorer les...), sous la forme d'un cycle chauffage-refroidissement (trempe, revenu...) ;
• d'un traitement mécanique, une déformation provoquant de l'écrouissage (laminage, forgeage, tréfilage...).

Le traitement de surface consiste à modifier la composition chimique ou la structure d'une couche extérieur d'acier. Cela peut être :

• une réaction en phase liquide (La phase liquide est un état de la matière.) (chromatation, carburation, nitruration en bain de sel, galvanisation...) ;
• une réaction en phase gazeuse (nitruration en phase liquide) ;
• une projection (La projection cartographique est un ensemble de techniques permettant de représenter la surface de la Terre dans son ensemble ou en partie sur la surface plane d'une...) d'ions (implantation ionique) ;
• un recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X. Autrement dit P est un recouvrement de X si et...) (peinture, zingage).

Voir aussi l'article détaillé traitements anti-usure.

Économie

Entreprises productrices

Entreprises productrices : Arcelor-Mittal, JFE, Nippon Steel, Posco, Corus, ThyssenKrupp AG, Bao steel, Riva, Sumitomo, Erasteel.

Évolution de la fabrication d'acier pendant le XX^e siècle

Définition :
Acier brut : acier liquide ou acier sous forme de demi-produit (brame, billette ou blooms). Il ne s'agit pas de produits finis (tôle, fil...).

Année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.)	1900	1910	1920	1930	1940	1950	1960	1970	1980	1990	2000	2001	2002	2003	2004
Production (Millions de tonnes)	28	60	72	95	141	190	347	595	716	770	948	850	903	969	1 057

Répartition géographique de la fabrication

Source : International Iron & Steel Institut (http://www.worldsteel.org/)

Répartition géographique de la consommation

Les chiffres de consommation sur dix ans montre une très forte augmentation de la demande d'acier par la Chine. En 2004, la demande chinoise entraîne des fortes augmentations de prix de l'acier (de 20 à 50 %). Elle crée également des tensions pour l'approvisionnement. Un fait symptomatique, le fabricant automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou...) japonais Nissan (Nissan Jid?sha Kabushiki Gaisha (?????????) ou Nissan (??) (NASDAQ : NSANY) est un constructeur automobile japonais.), a fermé pendant une semaine (du 29 novembre au 8 décembre 2004) trois usines sur les quatre qu'il possède au Japon à cause de rupture d'approvisionnement en acier (et probablement d'une politique d'achat trop agressive). Ces fermetures ont entraîné un déficit de fabrication de vingt cinq mille voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou...) soit une perte de quarante quatre millions d'euro.

• Pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la...) producteurs
• Usines productrices
• Restrictions américaines en 2002, levées en décembre 2003.

Utilisation

L'acier a de nombreuses applications dans l'automobile, la construction, l'emballage (boîtes de conserve)...

Recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des matériaux qui le composent. L'un des exemples qui illustre ce procédé...)

L'acier est facilement récupérable au milieu d'autres déchets au moyen d'un tri magnétique. Son caractère magnétique lui permet en effet d'être attiré par un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous)....). L'acier est recyclable à l'infini. Le recyclage permet de faire des économies de minerai, de chaux et d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). La part de production d’acier issue du recyclage de ferrailles avoisine, selon les années, 40 % de la production mondiale d’acier.

Il faut également noter que les ferrailles recyclées consistent jusqu'à 20 % de l'origine du fer élaboré par les procédés modernes en filière fonte. En effet, la ferraille sert d'agent refroidissant dans un convertisseur à oxygène.

Symbolique

• L'acier est le 7^e niveau dans la progression de la sarbacane sportive.