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Qu'est-ce que l'acier ? Sa composition Sa provenance Les procédés et les ou

Qu'est-ce que l'acier ? Sa composition Sa provenance Les procédés et les outils de transformation au fil du temps Le diagramme de phase Fe-C à l'équilibre Analyse du diagramme et de la structure de l'acier Les principaux traitements thermiques Dégradation de l'acier Aborder l'acier au secondaire. Fe [C] > 2% Fonte Fe [C] < 2% Acier Qu'est-ce que l'acier ? Fer: Par importance, il est le 4e élément de l'écorce terrestre On le retrouve sous forme : • Native : Provenant principalement de météorites • Minerais: Oxyde, sulfure, carbonate, nitrate et silicates À l'état pur, il possède une faible résistance à la traction: 120 MPa • Acier: 380 MPa Un alliage métallique Principalement constitué de Fer Préparation mécanique • Broyage Séparation • Selon les propriétés chimiques et physiques. • Magnétisme Préparation de la charge • Grillage des sulfures • Calcination des carbonates et des hydroxydes Réduction de la forme oxydée • CarboréductionLE FER Sous forme de minerai La goethite α FeO(OH) La lépidocrocite Y FeO(OH) L'hématite α Fe2O3 La limonite FeO(OH).nH2O La magnétite Fe3O4 La pyrite FeS2 La sidérite FeCO3 L'ilménite FeTiO3 Traitement des minerais Les plus fréquents* Choix du réducteur Diagramme de Ellingham Le diagramme démontre qu'il est possible de réduire FeO par C pour former Fe et CO • La réaction possédant le ΔG le plus grand se produira en premier. http://article.sapub.org/10.5923.j.ijmee.20120102.03.html Réduction directe de l'hématite (Fe2O3) Empilement alterné de minerais et de charbon de bois dans de bas fourneaux. En théorie: 1200 °C En pratique: 900 °C Condition rudimentaire On obtient une masse de minerai entremêlé de fer non réduit et de charbon non consumé. Épuration par cinglage à chaud afin d'obtenir un lingot. Matériau de qualité très inégale. Invention du martinet La force humaine appliquée dans le cinglage est remplacée par celle de l'eau. Production de plus grandes pièces. Force hydraulique et soufflet (± 1500) Permet d'augmenter la pression à l'intérieur du fourneau, ce qui augmente la température de combustion. Production de fourneaux plus hauts dans le but d'augmenter la capacité et la production. Découverte sidérurgique majeure: La fonte Historique des techniques de fabrication • Âge de Fer (1100 av.JC) • Première production volontaire : ±1600 av.JC • Principal matériau utilisé dans la confection d'armes et d'instruments agricoles à l'époque romaine. http://www.ermina.fr/commun/photo/TA_METABFF_0 1_500x328.jpg Découverte de la fonte Dans de hauts-fourneaux, le fer se charge de carbone en contact avec le charbon de bois. Baisse de la température de fusion de l'alliage. Puis, la masse carbonée dissout le charbon de bois en se dirigeant vers le fond du fourneau et se charge de carbone à nouveau. La fonte liquide obtenue se dépose au fond du fourneau. Procédé indirect Fonte décarburée par chauffage et injection d'air afin d'obtenir de l'acier et des dérivés ferreux. Historique des techniques de fabrication • découverte de la fonte http://www.chateaubriant.org/IMG/jpg/haut_fourneau.jpg http://www.edu.upmc.fr/uel/chimie/elementsd1/apprendre/gcb.eld.fa. 101.a2/content/images/03a_haut-fourneau.gif Historique des techniques de fabrication • 1700 le charbon de bois est remplacer par du coke (charbon cuit) • Bessemer: Premier procédé économique de l’acier Four à réverbère; Dessin: Jaques Plan, Juillet 2010 Four à réverbère Convertisseur Bessemer • Destiné à contenir le métal liquide • Extraction d’impuretés • Présence de phosphore dans les aciers français. • Perte de ductilité. • Minerais français en contiennent beaucoup. • Chaleur réfléchie par la voute du four. • Affinage sans contact. • Oxydation à la surface du liquide. • Production: 600 tonnes/an • Première révolution industrielle http://www.cirebox.com/illustrations/travail- pro/museums/grossouvre/img/61/561z.jpg http://img.over-blog- kiwi.com/300x300/0/45/57/72/201302/ob_0c803e7739226e6ced5 cdeddd71636f7_forme-convertisseur.PNG • Opte pour un revêtement à caractère basique plutôt que acide. • Brique de silice remplacée par des blocs de dolomie. • Versement de 12-15% de chaux vive froide avant le versement de la fonte. Procédé Thomas Développé en 1952 nommé d'après les villes autrichiennes Linz et Donawitz où il a été mis au point. LD-process Une amélioration des procédés de Bessemer et Thomas • Bessemer et Thomas: Procédé trop rapide • Ne permet pas l'ajustement fin des propriétés • Permet le recyclage d'une très faible quantité de ferraille. Injection d'oxygène pur à 99% 20% du convertisseur est rempli avec de la ferraille recyclée. Four à arc http://images.books24x7.com/bookimages/id_12152/fig2-1.jpg http://www.larousse.fr/encyclopedie/data/images/1001497- Four_%c3%a9lectrique_%c3%a0_arc.jpg • Provoque des arcs électriques • Atteint des températures suffisantes pour faire fondre n'importe quelle ferraille. • Consomme énormément d'énergie • Bilan écologique favorable • Recyclage Type de traitement De recuit • Refroidissement lent De trempe • Refroidissement rapide De normalisation Hypoeutectoïdes • 0,008% à 0,77% Eutectoïdes • 0,77% Hypereutectoïdes • 0,77% à 2,11% La structure cristalline des aciers dépend de: • Sa concentration en carbone. • La présence d'autres éléments. • Sa vitesse de refroidissement. 3 types d'acier selon la concentration en carbone Diagramme de phase de l'acier: • Caractérisé par un large domaine sous forme d'austénite. • Définie la composition de l'alliage lors d'un refroidissement lent. • Solubilité du carbone selon la structure Diagramme de Phase Structure cristalline des différentes phases solides du fer pur. http://www.chimix.com/an7/sup/image/a529.gif • Solidification: 1538 °C • Structure CC (fer delta) • 1394 °C • Structure CFC (Austénite) • 912 °C • Structure CC ( Ferrite) Concentration en carbone http://www.chimix.com/an7/sup/image/a529.gif [ C ] < 0,1% Fer ( CC ) Austénite (CFC) Ferrite (CC) 0,1% > [ C ] > 0,76% Austénite Austénite, Ferrite Ferrite, perlite [ C ] = 0,76% Transformation eutectique Perlite 2,14% > [ C ] >0,76% Austénite, Cémentite Perlite, Cémentite Microstructures lors d'un refroidissement lent. • Hypoeutectoïde • Perlite • Ferrite • Eutectoïde: • Perlite • Hypereutectoïde: • Perlite • Cémentite Ferrite Phase stable du fer à la température ambiante. Faible solubilité du carbone Ferromagnétique à basse température Structure CC Distance idéale pour coupler leurs spins. Ajout de Cr, Mo, Si Stabilise sa formation lors du refroidissement. Ductile (40% élongation à la rupture) Module d'élasticité : 275 MPa Faible dureté Cémentite Se décompose avant de fondre Limite du diagramme de phase Fragile: 0% d'élongation à la rupture Module d'élasticité élevé: 700 MPa Grande dureté Coexiste toujours avec la ferrite. Perlite Agrégat formé de 89% de ferrite et 11% de cémentite. Sous forme de lamelles alternées L'espacement entre les lamelles dépend de la vitesse de refroidissement. Ductile ( 20% d'élongation à la rupture) Module d'élasticité: 830 MPa Grande dureté • Hypoeutectoïde • Perlite • Ferrite • Eutectoïde: • Perlite • Hypereutectoïde: • Perlite • Cémentite http://www.chimix.com/an7/sup/image/a529.gif Microstructure à température ambiante, après un refroidissement lent. http://www.zpag.net/Tecnologies_Indistrielles/Images11/Metaux49.jpg Solubilité du carbone diminue en fonction de la température • [ C ] < 0,76% : emprisonné entre les grains sous forme de perlite, le carbone est progressivement éjecté de la structure. • [ C ] = 0,76% : Succession de lamelle de cémentite et de perlite • [ C ] > 0,76%: Le fer est rejeté entre les grains. CARACTÉRISTIQUES DES DIFFÉRENTES FORMES À L'ÉQUILIBRE. Traitement thermique dans le but de modifier les propriétés de l'acier. Selon la vitesse de refroidissement, on obtient: • Martensite • Très grande dureté • Bainite • Combiné à la martensite • Haute résistance et facile à usiner • Même phase que la perlite La trempe Ex: La Martensite • Austénite refroidie rapidement par trempage dans un liquide. • Solution solide sursaturée en carbone dans conformation de la ferrite. • Même composition que l'austénite, mais dans un arrangement CC • Structure granulaire plus fine. • Durcissement considérable de la pièce d'acier. • Contrainte provoquée par le traitement. • Cassante Le revenu: réduit les contraintes provoquées par la trempe. • Chauffage de la pièce d'acier à une température désirée. • Laissé refroidir lentement. • Augmente la résistance au choc • Diminue la possibilité qu'il craque. Le recuit Consiste à chauffer la pièce d'acier au-dessus de sa gamme de température critique et de la refroidir lentement, afin de supprimer les effets de la trempe. Son plus grand défaut La corrosion Il doit être peint ou galvanisé pour le protéger de la corrosion. Solution Ajout de chrome Interagit avec l'oxygène dans l'air pour former la couche passive, qui empêche la corrosion. Les aciers inoxydables Alliage composé de fer, de carbone et de chrome. [ Cr ] > 10,5% [ C ] ± 1,2% + Ni : Augmente les propriétés de la couche passive. Pourquoi en parler au secondaire? Les alliages ferreux sont présents dans plusieurs secteurs de l'activité humaine. Univers technologique Ingénierie:  Contraintes  Propriétés mécaniques  Type et propriété  Alliage à base de fer Dégradation des matériaux Protection des matériaux Recouvrement Traitement thermique Il est simple d'aborder l'acier à partir de la troisième année du secondaire. uploads/s3/ acier.pdf