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Connaissances matériaux Ahmed El Khamkhami L’acier, un matériau issu de matière

Connaissances matériaux Ahmed El Khamkhami L’acier, un matériau issu de matières premières naturelles L’acier est un alliage résultant d’une transformation de matières premières naturelles, tirées du sol ou recyclées. Les conditions matérielles de cette transformation entraînent la présence dans sa composition d’une faible proportion d’autres éléments (phosphore, soufre) considérés comme des impuretés. Les aciers sont les matériaux les plus répondus dans l’industrie et la construction mécanique. L’acier, un matériau à composition ajustable Suivant la qualité d’acier que l’on veut obtenir, il est possible d’abaisser le pourcentage de ces impuretés au cours de l’élaboration, ou au contraire de l’augmenter pour obtenir des propriétés particulières. L’acier peut également contenir d’autres éléments issus de son élaboration ou ajoutés volontairement, en vue d’ajuster sa composition chimique, et par conséquent, ses caractéristiques mécaniques. L’acier se compose du Fer+carbone Les aciers ont une teneur en carbone qui peut varier de 0.005 % à 1,5 % en masse, voir exceptionnellement 2 %. Un nombre limité d’aciers au chrome peut avoir une teneur en carbone supérieure à 2%, mais cette valeur de 2% est la teneur limite courante qui sépare l’acier de la fonte (pourcentage en carbone allant de 2.5% à5%). L'acier, c'est du fer additionné de carbone, depuis un taux proche de 0%, correspondant à des traces infimes, jusqu'à 2 %. Le dosage en carbone influe sur les caractéristiques du métal. On distingue deux grandes familles d'acier : les aciers alliés et les aciers non-alliés. Il y a alliage lorsque les éléments chimiques autres que le carbone sont additionnés au fer selon un dosage minimal variable pour chacun d'eux. Par exemple : 0,50 % pour le silicium, 0,08 % pour le molybdène, 10,5 % pour le chrome. Ainsi un alliage à 17 % de chrome + 8 % de Nickel est un acier inoxydable. C'est pourquoi il n'y a pas un acier mais des aciers L’augmentation du % Carbone dans les aciers modifie leurs propriétés physiques et mécaniques Il augmente : - La dureté - La résistance a la rupture - La limite élastique - La résistance a la corrosion - La résistance a l’usure - La trempabilité (mise en solution du carbone, formation de carbure) Il diminue : - la malléabilité - la résistance au chocs(résilience) - la soudabilité En dehors de la variation du pourcentage de carbone, on peut modifier les caractéristiques mécaniques et aptitudes technologiques des aciers par addition d’autres métaux dont les principaux sont : ▪ Manganèse, augmente la limite élastique et la trempabilité ▪ Nickel, augmente le résistance aux chocs et la résistance a la corrosion ▪ Chrome, augmente le résistance à l’usure et la résistance a la corrosion ▪ Silicium, augmente la limite élastique ▪ Tungstène, augmente le résistance à l’usure et a la chaleur ▪ Molybdène, augmente le résistance à l’usure et a la chaleur ▪ Vanadium, augmente le résistance à l’usure et aux déformations L’association de plusieurs éléments d’addition entre eux permet de pondérer les effets de chacun. Par exemple, dans un alliage d’acier Nickel et Chrome, le Nickel rends l’acier inoxydable mais trop mou et le Chrome rend l’acier inoxydable mais trop dur Une proportion convenable de chacun des deux composants permet d’allier de bonne caractéristiques mécaniques a des conditions de travail et d’usinage correct . LES GRANDES FAMILLES Il existe trois grandes familles d'aciers : les aciers non-alliés, les aciers faiblement alliés et les aciers fortement alliés. Les aciers non-alliés pour un usage général La première famille des aciers non-alliés regroupe les aciers d’usage général utilisés dans le bâtiment et les travaux publique et les aciers non-alliés spéciaux utilisés plutôt dans les outils, les moules ou les pièces mécaniques soudables, malléables ou forgeables. Les aciers faiblement alliés, de haute résistance Les aciers faiblement alliés se caractérisent par leur haute résistance et le fait qu’aucun élément additionnel ne dépasse 5 % en masse. Les aciers fortement alliés à très haute résistance mécanique La troisième famille des aciers fortement alliés se compose d’aciers dont au moins un élément dépasse 5 % en masse et sont réservés à des utilisations très spécifiques nécessitant des caractéristiques particulières comme une très haute résistance mécanique, une très grande résistance à l’usure et à la corrosion, une très faible dilatation et fluage. C’est dans cette famille que l’on retrouve, par exemple, les aciers inoxydables. Les valeurs limites des alliages constituant ces différentes classes d’aciers sont définies par la norme AFNOR NF EN 10020. LES PROPRIÉTÉS DE L'ACIER Les propriétés d’un acier varient énormément en fonction de sa composition chimique et du traitement thermomécanique appliqué pendant le processus de fabrication. Ces deux caractéristiques déterminent sa microstructure et les traitements de surface interviennent également dans ses propriétés. Des produits en acier aux caractéristiques mécaniques et géométriques Les produits en acier utilisés en construction métallique présentent deux types de caractéristiques qui interviennent dans les calculs de résistance des matériaux. Il s'agit d'une part des caractéristiques mécaniques intrinsèques, fonction de la nuance de l'acier et d'autre part des caractéristiques géométriques et d'inertie propres au produit et qui dépendent de ses dimensions et de sa géométrie. Les aciers, une composition chimique à l’épreuve de la résistance Les aciers sont également caractérisés par leur composition chimique qui n'intervient pas directement en résistance des matériaux mais qui joue un rôle important notamment en matière de soudabilité et dans le comportement à la corrosion des ouvrages métalliques. Retrouvez toutes les caractéristiques géométriques et mécaniques des produits en acier pour la construction en commandant l’ouvrage dans notre e-boutique (réf. 15001- 170 pages) ou consultez notre LA FABRICATION DE L'ACIER Les métaux ferreux sont connus depuis la plus haute antiquité sous la dénomination de « fer ». L’âge du fer sert à désigner le tournant décisif de la civilisation humaine après l’âge de la pierre et l’âge du bronze. Si l’on se place du point de vue de la chronologie historique, on peut dire que la production industrielle de l’acier est relativement récente puisqu’elle remonte à une centaine d’années environ. L’acier, un matériau multi-usages S’il a fallu des millénaires pour aboutir à un stade rudimentaire de fabrication de l’acier, et quelques siècles pour voir naître les premières installations à caractère industriel, c’est en quelques dizaines d’années que se sont créées les nouvelles techniques et les puissantes installations qui conduisent à de meilleures fabrications et à des utilisations toujours plus nombreuses de l’acier. Retrouvez l’histoire de l’acier dans notre ouvrage « L’ACIER, sa fabrication, ses propriétés, sa mise en œuvre, ses emplois » disponible dans notre rubrique E-boutique/Ouvrages pédagogiques. LES GRANDES ÉTAPES La fabrication des aciers se décomposent schématiquement en 6 étapes regroupées en trois parties : la préparation des matières premières, le travail dans l’aciérie et la transformation au laminoir. On distingue deux filières d’approvisionnement de l’aciérie : l’une dite filière fonte, alimentant les hauts fourneaux, et l’autre dite filière électrique, alimentant les fours électriques. L'ACIER DE LA FILIÈRE FONTE Les différences fondamentales qui caractérisent les aciers de la filière fonte par rapport à la filière électrique sont qu’ils sont créés à partir de deux matières premières principales, le minerai de fer et le charbon. La production d’acier liquide, avant coulée, va se faire à partir des hauts fourneaux et de la fonte liquide à 1400°C. Pour réaliser cette fonte, il est nécessaire de préparer les matières premières dans une usine constituée d’une cokerie et d’une usine d’agglomération. La filière fonte est essentiellement mise en œuvre dans ce qu’on appelle les usines intégrées. Le schéma ci-dessous représente, de façon schématique, la chaîne complète de cette filière depuis l’usine d’agglomération où sont préparées les matières premières jusqu’aux produits finis. L'USINE D'AGGLOMÉRATION Les aciers de la filière fonte sont élaborés à partir de deux matières premières principales, le minerai de fer et le charbon. Le minerai de fer est un produit naturel très présent sur la Terre. Le fer représente à peu près 5% de l’écorce terrestre et la sidérurgie utilise surtout les minerais à base d’hématite (Fe2O3). C’est un agrégat de matières minérales (oxydes, carbonates et sulfures de fer) susceptibles d’être transformées en fer de manière économique. A l’état brut, le minerai de fer possède des propriétés chimiques et physiques qui le rendent inexploitable par le haut fourneau. Il faut donc le préparer pour le rendre compatible avec le processus industriel de fabrication de la fonte. Le minerai de fer, de l’état brut à l’aggloméré L’usine d’agglomération reçoit le minerai de fer en provenance d’un quai minéralier ou d’un parc à minerais. Ce minerai est tout d’abord séparé par tri puis broyé et calibré en grains qui s’agglomèrent entre eux. Le mélange obtenu est ensuite cuit sous une hotte d’allumage à 1 300 °C. Le minerai aggloméré obtenu est appelé le gâteau et est concassé avant d’être transféré vers le haut fourneau. L’aggloméré se caractérise par des propriétés physico-chimiques précises : • une granulométrie resserrée (5 - 50 mm) • une résistance mécanique contrôlée • une analyse chimique précise et régulière, surtout en ce qui concerne la gangue qui détermine la composition du laitier de haut fourneau et permet d’ajuster la qualité de la fonte. uploads/s3/ connaissances-materiaux.pdf