Teneur en carbone

Diagramme de phase fer-carbone, permettant de visualiser les conditions d’existence des formes d’acier, en absence d’éléments gammagènes et de trempe.

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 ».

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 :

• les aciers hypoeutectoïdes (de 0,0101 à 0,77 % de carbone) qui sont les plus malléables ;
  • les aciers extra-doux ont une teneur inférieure à 0,022 % de carbone ; ils sont hors de la « zone d’influence » de l’eutectoïde (perlite) et n’ont donc pas de perlite ; ils sont durcis par des précipités de cémentite en faible quantité,
  • entre 0,022 et 0,77 % de carbone, la cémentite est présente dans la perlite mais n’existe pas sous forme « seule » ;
• l’acier eutectoïde (0,77 % de carbone) appelé perlite ;
• les aciers hypereutectoïdes (de 0,77 à 2,11 % de carbone) qui sont les plus durs et ne sont pas réputés soudables.

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 ».

Éléments d'alliage

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).

Types de structures

La température de transition α/γ varie avec la teneur en carbone.

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 :

• jusqu’à 912 °C, le fer (fer α) a une structure cristalline cubique centrée appelée ferrite ;
• entre 912 °C et 1 394 °C, le fer (fer γ) a une structure cristalline cubique à faces centrées appelée austénite ;
• entre 1 394 °C et son point de fusion à 1 538 °C, le fer (fer δ) retrouve une structure cristalline cubique centrée appelée ferrite delta (cette dernière joue un rôle essentiel dans la mise en œuvre et surtout le soudage des aciers duplex).

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 % :

• jusqu’à 727 °C, on trouve un mélange de ferrite et de cémentite ;
• à partir de 727 °C, le fer α se transforme en fer γ (changement de phase appelé austénitisation) ; la température de fin de transformation dépend de la teneur en carbone.

Évolution de la structure lors du refroidissement

Structure cristalline des aciers pour un refroidissement lent : répartition de la ferrite (jaune) et de la cémentite (bleu).

Lors d’un refroidissement lent, le carbone est chassé des mailles de ferrite et va former des carbures (gauche). Lors d’une trempe, le carbone reste piégé dans la maille lors de la transformation γ → α ; cela forme la martensite (droite).

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 :

• les joints de grain bloquent les dislocations, donc augmentent la dureté et la limite élastique ; or, plus les grains sont petits, plus il y a de joints de grain ;
• la cémentite est un carbure, une céramique très dure ; sa présence augmente la dureté et la limite élastique, mais diminue la ductilité.

De manière générale :

• un refroidissement rapide donne de petits grains, alors qu’un refroidissement lent donne de gros grains ;
• la réorganisation des atomes pour passer de la structure austénitique (cubique à faces centrées) à la structure ferritique (cubique centrée) se fait par des mouvements d’atomes de faible ampleur (quelques distances interatomiques) ;
• la ferrite pouvant contenir moins de carbone dissous (voir Solution solide et Site interstitiel), le carbone doit migrer sur de plus grandes distances pour former de la cémentite ; la distance à parcourir est moins grande dans le cas de la perlite (eutectoïde), puisque la cémentite s’intercale entre des « tranches » de ferrite ;
• la germination des nouveaux cristaux se fait de manière préférentielle aux défauts, et notamment aux joints de grain de l’austénite ; ainsi, la structure de solidification de l’austénite joue un rôle important (voir Solidification).

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 :

• déformations : écrasement du lingot, laminage à froid ou à chaud, forgeage, etc. ;
• traitements thermiques, qui permettent de « rejouer » le refroidissement :
  • trempe, éventuellement suivie d’un revenu : la rapidité de la transformation ne permet pas au carbone de diffuser et le « piège » dans la maille cubique centrée, qui se déforme pour donner de la martensite ; les cristaux forment de petites aiguilles,
  • une trempe plus lente, ou bien une trempe étagée, permet la formation de bainite,
  • recuit, permettant la diffusion des éléments, la réorganisation des atomes et l’élimination des dislocations.

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.

Classifications

Principes de désignation symbolique des aciers selon la norme EN 10027-1-2.

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 :

• les aciers non-alliés d’usage général (construction) ;
• les aciers non-alliés spéciaux, pour traitement thermique, malléables, soudables, forgeables, etc. ;
• les aciers faiblement alliés, pour trempe et revenu ; les éléments d’alliage favorisent la trempabilité et permettent d’avoir des structures martensitiques ou bainitiques, donc des aciers à haute dureté, à haute limite élastique, pour les outils, les ressorts, les roulements, etc. ;
• les aciers fortement alliés :
  • les aciers inoxydables,
  • les aciers rapides, pour les outils à forte vitesse de coupe comme les forets.

Aciers non alliés

Aciers faiblement alliés

Certains aciers sont alliés et (E4340 par exemple) 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 :

• 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 jusqu'à 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 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 « X2CrNi18-9 » (il s'agit d'un acier inoxydable).

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

Répartition géographique

Coût de production

Sept facteurs au moins déterminent le coût de production d’un acier :

1. La composition de l’acier selon sa teneur en éléments nobles (chrome, nickel, manganèse, cobalt, etc.) et le niveau de pureté chimique (basse teneur en soufre, phosphore, éléments à bas point de fusion comme le plomb, l’arsenic, l’étain, le zinc, etc.) ;
2. Les exigences particulières liées à la règlementation (directives, décrets, loi, etc.) et les spécifications techniques des donneurs d’ordres ;
3. Les choix d’option(s) proposée(s) par des normes ou des standards internationaux comme des aptitudes au pliage, à l’emboutissage, à l’usinage ;
4. Les exigences dimensionnelles (tolérance de planéité, classe d’épaisseur, etc.). À noter que chez les aciéristes, la densité de l’acier n’est pas une constante. Par exemple, dans le cas de l’acier de construction, elle n’est pas égale à 7,85. Les aciéristes considèrent une densité de facturation différente de la densité physique pour tenir compte du fait que la masse réelle livrée (pesée) est toujours supérieure à la masse théorique (calculée) du produit commandé ;
5. Les examens et essais effectués sur échantillons prélevés sur coulée ou directement sur produit ainsi que le mode de réception du produit. Il existe trois principaux modes de réception classés ci-après dans l’ordre de coût croissant :
   • par le vendeur (la réception du produit est donc effectuée par la première partie),
   • par l’acheteur (la réception du produit est effectuée par la seconde partie), et par une entité administrative extérieure (bureau de contrôle, compagnie d’assurance, ministère, association, etc.) autre que le vendeur ou l’acheteur (la réception du produit est effectuée par ce que l’on appelle une tierce partie) ;
6. Les exigences internes (donc supplémentaires) requises par les procédés de fabrication de l’utilisateur (planéité, limitations de teneurs en éléments chimiques, marquage), et
7. La loi de l’offre et de la demande et la spéculation sur les métaux qui conditionnent bien sûr le prix du marché.

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 7^e point quant à lui n’a pas de limite rationnelle.

Notes

Références

Articles connexes

Bibliographie

• J. Barralis et G. Maeder, Précis de métallurgie, Paris, Afnor, Nathan, 1991, 4^e éd. (ISBN 978-2-09-194017-5)
• J. Philibert, A. Vignes, Y. Bréchet et P. Combrade, Métallurgie, du minerai au matériau, Paris, Dunod, 2002, 2^e éd. (ISBN 978-2-10-006313-0), p. 8-10, 150-186, 617-623, 651, 654-661, 681-700, 744-752
• J.-L. Fanchon, Guide des sciences et technologies industrielles, Paris, Afnor, Nathan, 2010 (ISBN 978-2-09-178761-9 et 2-12-494112-7, OCLC 47854031, présentation en ligne), p. 161-166

Liens externes

• Qu’est-ce que l’acier ?
• (fr) (nl) Infosteel (Centre information acier)
• L’association ConstruirAcier présente l’utilisation de l’acier dans les ouvrages de construction du bâtiment et des travaux publics.

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  • (en) Medical Subject Headings
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