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الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية وزارة التعليم العالي والبحث العلمي جامع

الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية وزارة التعليم العالي والبحث العلمي جامعة باجــــــــــي مخــــتار –عــــنابة République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur Et de la Recherche Scientifique Université Badji –Mokhtar Annaba Faculté des Sciences de l’ingénieur Département de Métallurgie et Génie des Matériaux Aciers et alliages spéciaux COURS Destiné aux étudiants du L3 – LMD Métallurgie Année Universitaire 2019/2020 Ch.1 : Constitution de l’acier Généralités: L’acier est élaboré pour résister à des sollicitations mécaniques ou chimiques ou une combinaison des deux. Pour résister à ces sollicitations, des éléments chimiques peuvent être ajoutés à sa composition en plus du carbone. Ces éléments sont appelés éléments d’additions, les principaux sont le manganèse (Mn), le chrome (Cr), le nickel(Ni), le molybdène (Mo). Les éléments chimiques présents dans l’acier peuvent être classés en 3 catégories : [1] • Les impuretés, originellement présentes dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l’acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) présent dans le coke mais aussi le plomb(Pb) et l’étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi que nombre d’autres éléments à bas point de fusion comme l’arsenic (As), l’antimoine (Sb) ; Pour des raisons mal comprises, le plomb est dans certaines circonstances (dans l’industrie nucléaire notamment) un "contaminant métallurgique" qui peut contribuer à la dissolution, l’oxydation et la fragilisation d’aciers qui sont exposés aux alliages de plomb. • Les éléments d’addition mentionnés plus haut et qui sont ajoutés de manière intentionnelle pour conférer au matériau les propriétés recherchées, et enfin ;  Les éléments d’accompagnement que l’aciériste utilise en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir finalement un acier conforme à la spécification. C’est le cas d’éléments comme l’aluminium, le silicium, le calcium. Aperçu de la composition, des avantages et des inconvénients 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 %, 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. [1] 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". 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 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 ou la cémentation) prenant en surface 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 à la déformation élastique : module d’élasticité E ; • dureté, résistance à la déformation irréversible, à la rupture: limite • Élastique Re, résistance minimale à la rupture Rm, dureté H ; • résistance aux chocs : résilience K. D’autre part, leur coût d’élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5 % de l’écorce) et sa réduction assez simple (par addition de carbone à haute température). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclable grâce à la filière ferraille. On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion à laquelle on peut toutefois remédier, soit par divers traitements de surface peinture, brunissage, zingage, Galvanisation à chaud, etc.), soit par l’utilisation de nuances d’acier 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 grande masse volumique est pénalisante (dans le secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d’aluminium, titane, composite, etc.), qui ont l’inconvénient d’être plus chers. Lorsque le prix est un critère de choix important, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d’application technique : équipements publics (ponts et chaussées, signalisation), industrie chimique, pétrochimique, pharmaceutique et nucléaire (équipements sous pression, équipements soumis à l’action de la flamme, capacités de stockage, récipients divers), agro-alimentaire (conditionnement et stockage), bâtiment (armatures, charpentes, ferronnerie, quincaillerie), industrie mécanique et thermique (moteurs, turbines, compresseurs), automobile (carrosserie, équipements), ferroviaire, aéronautique et aérospatial, construction navale, médical (instruments, appareils et prothèses), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), mobilier, design et équipements électroménagers, etc . Composition et structure des aciers On distingue plusieurs types d’aciers selon le pourcentage massique de carbone qu’ils contiennent : • les aciers hypoeutectoïdes (de 0,01 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 ; • l’acier eutectoide (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. 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). La structure du fer pur dépend de la température : • jusqu’à 912 °C, le fer (fer α) a une structure cristalline cubique centrée ppelée ferrite. La structure du fer pur dépend de la température : • entre 912 °C et 1394 °C, le fer (fer γ) a une structure cristalline cubique à face 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 ferrite 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). [1] 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. 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 ». Les différentes phases de l’acier : Austénite, Bainite, Cémentite, Ferrite, Martensite, Perlite. Ch.2 : Aciers et Alliages Spéciaux Les éléments chimiques Les éléments chimiques présents dans l'acier, autres que le fer et le carbone, peuvent être classés en trois catégories. [2] Les impuretés Les impuretés sont originellement présentes dans les ingrédients de haut fourneau qui serviront à produire la fonte qui servira à fabriquer l'acier. Ce sont le soufre (S) et le phosphore (P) présents dans le coke mais aussi le plomb (Pb) et l'étain (Sn) qui peuvent être présents dans les aciers de récupération ainsi qu'un tas d'autres éléments à bas point de fusion comme l'arsenic (As), l'antimoine(Sb), … Les impuretés sont aussi produites lors des diverses phases d'élaboration de l'acier comme par exemple : • les oxydes FeO, Fe2O3, Fe3O4, MnO, CaO ; • les carbures Fe3C, Cr23C6, NiC, TiC ; • les sulfures MnS, NiS (réciproquement responsable des problèmes d'arrachement lamellaire) ; Les éléments d'addition Mentionnés plus haut, ils sont volontairement ajoutés pour conférer à l'acier les propriétés recherchées. Les éléments d'accompagnement L'aciériste les utilise en vue de maîtriser les diverses réactions physico-chimiques nécessaires pour obtenir en final un acier conforme à la spécification. C'est le cas uploads/Ingenierie_Lourd/ aciers-et-alliages-speciaux.pdf