Acier
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Propriétés et caractéristiques des aciers

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 (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du...) inox est typiquement un peu supérieure à 8. Par exemple, la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) d’un acier inoxydable (Les aciers inoxydables jouent un grand rôle dans d'innombrables domaines : vie quotidienne, industrie mécanique, agroalimentaire, chimie,...) de type AISI 304 (X2CrNi18-10) est environ 8,02.

Ils ont un module de Young d’environ 210 000 MPa, indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermo-mécanique et des traitements de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) 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...), sous la forme d’un cycle chauffage-refroidissement (trempe, revenu…) ;
  • d’un traitement mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...), 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (chromatation, carburation, nitruration en bain de sel, galvanisation, parkerisation…) ;
  • 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 carte.) 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 seulement si tout élément x de...) (peinture, émail).

Voir aussi l’article détaillé traitements anti-usure.

Différentes « familles » d'aciers

Il existe des aciers faiblement alliés, à faible teneur en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), et au contraire des aciers contenant beaucoup d’éléments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 8 % de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) et 18 % de chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) en masse).

Différentes classifications

Principes de désignation symbolique des aciers selon la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un état habituellement répandu ou moyen considéré le plus souvent comme une...) EN 1007-1-2.

Chaque 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 civitas qui subsiste le plus souvent sous...) a son mode de désignation des aciers. Le schéma ci-contre indique la désignation européenne selon la norme EN10027. Cette norme distingue quatre catégories :

  • les aciers non-alliés d’usage général (construction), dits « aciers à ferrer les ânes » ;
  • les aciers non-alliés spéciaux, pour traitement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...), malléables, soudables, forgeables… ;
  • les aciers faiblement alliés, pour trempe (La trempe ou trempage est un traitement thermique consistant en un refroidissement rapide d'un matériau pour obtenir des propriétés mécaniques particulières....) et revenu ; les éléments d’alliage favorisent la trempabilité et permettent d’avoir des structures martensitiques ou bainitiques, donc des aciers à haute dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et pour l'eau.), à haute limite élastique, pour les outils, les ressorts, les roulements…
  • les aciers fortement alliés :
    • les aciers inoxydables,
    • les aciers rapides, pour les outils à forte vitesse (On distingue :) de coupe comme les forets.

Aciers non alliés

Aciers non alliés d’usage général

Ils sont destinés à la construction soudée, à l’usinage, au pliage… On distingue :

  • Le type S qui correspond à un usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) général de base (construction de bâtiment…)
  • Le type E qui est utilisé dans la construction mécanique

La désignation de ces aciers comprend la lettre du type d’acier suivi de la valeur de la limite élastique (Re) en méga-pascal (MPa). 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…)

Exemples :

  • S185 (anciennement A33), Re = 185 MPa
  • E295 (anciennement A50), Re = 295 MPa
  • GE295, acier moulé, Re = 295 MPa
  • S355 J2 WP, Re = 355 MPa, à 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...) fin et auto-patinable (c’est l’acier Corten A)

Aciers non alliés 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)…

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 :

  • C45, acier non allié comportant un taux de 0,45 % de carbone ;
  • GC22, acier moulé non allié comportant un taux de 0,22 % de carbone.

Aciers faiblement alliés

Aucun élément d’addition ne dépassant 5 % en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....), ils sont utilisés pour des applications nécessitant une haute résistance.

Exemples de désignation normalisée :

  • 35NiCrMo16 : contient 0,35 % de carbone, 4 % de nickel, du chrome et molybdène en plus faible teneur. Cet acier présente une bonne tenue aux chocs ainsi qu’une haute résistance mécanique jusque 600 °C ;
  • 100Cr6 : 1 % de carbone et 1,5 % de Chrome. C’est l’acier typique utilisé dans les roulements à billes.

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), Invar (faible 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...) de dilatation)

Un exemple de désignation normalisée : X2CrNi18-9 (c’est un acier inoxydable).

Les aciers rapides (high speed steels, HSS) font partie de cette famille.

Aciers inoxydables

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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) (-200 °C).

Leurs applications sont multiples : chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle...), nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :), alimentaire, mais aussi coutellerie et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone.

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. La matière occupe de...) de certains éléments d’alliage. On obtient alors un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) 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 Dual Phase 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 ;
  • Les aciers duplex formés de ferrite et d’austénite dans des proportions sensiblement identiques ;
  • 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.
  • 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 [1] ;
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