ACIER Technologie

Propriétés générales

Les propriétés auxquelles on s'attache sont, d'une part, les caractéristiques mécaniques déterminées dans des conditions standards par les essais de traction et de flexion par choc (limite élastique, charge de rupture, allongement, striction et résilience), d'autre part, la trempabilité, telle qu'on peut l'exprimer par la courbe Jominy (fig. 4). Un acier de construction sera donc défini par sa composition chimique, par ses caractéristiques mécaniques et, si nécessaire, par sa trempabilité. Dans le cas d'un acier destiné à recevoir un traitement thermique après mise en œuvre, les caractéristiques dépendent à la fois de la dimension des pièces, de la trempabilité de l'acier et des conditions de mise en œuvre. Elles peuvent être très différentes de celles qu'indiquent les tables et qui correspondent à des conditions standards. La ductilité peut être fonction de l'importance des déformations subies par le métal depuis le demi-produit d'origine (corroyage).

Le choix entre les diverses nuances et qualités s'exerce donc en fonction des caractéristiques demandées aux pièces pour résister aux sollicitations auxquelles elles seront soumises. On fait intervenir aussi leur dimension et leur forme, qui imposent le mode de trempe et la trempabilité nécessaire. Une pièce de forme compliquée ne peut, sans aléas importants (tapures, déformations), être refroidie brusquement : cela élimine la possibilité d'une trempe à l'eau ou, parfois même, à l'huile. Il faudra choisir un acier à haute trempabilité. Dans d'autres cas, seule une couche superficielle devra être durcie : on pourra se contenter d'un acier beaucoup moins trempant.

Principales nuances d'aciers de construction

La très grande variété des pièces et des conditions de travail auxquelles elles sont soumises entraîne l'existence d'un grand nombre de nuances et qualités d'aciers de construction. En fait, on peut distinguer trois grandes catégories : les aciers de construction soudables, les aciers de construction pour traitements thermiques et les aciers à caractéristiques spéciales.

Aciers de construction soudables

Utilisés sous forme de produits plats (tôles) ou longs (poutrelles) dans de nombreuses industries, notamment dans la construction métallique (bâtiments, ouvrages d'art, structures pétrolières offshore, réservoirs...), la construction navale, la chaudronnerie, l'industrie du tube, la construction de gros équipements..., les aciers de construction soudables doivent non seulement présenter les niveaux de caractéristiques mécaniques – en particulier de caractéristiques de traction et de résistance à la rupture fragile – qui sont requis pour les utilisations envisagées, mais ils doivent encore pouvoir être soudés dans des conditions techniquement et économiquement satisfaisantes. Comme ces exigences sont contradictoires du point de vue de la composition chimique, notamment en ce qui concerne les teneurs en carbone et en éléments qui augmentent la trempabilité, un compromis est nécessaire qui sera d'autant plus difficile à trouver que le niveau des exigences sera plus élevé. Malgré cela, c'est sans doute dans ce domaine des aciers soudables que les progrès les plus considérables ont été réalisés au cours des dernières décennies, grâce en particulier au développement des traitements thermomécaniques et à l'emploi d'éléments de microalliage.

Les exigences de plus en plus sévères des utilisateurs, correspondant pour les constructions soudées à des conditions d'utilisation de plus en plus difficiles et au désir d'abaisser les coûts de construction, posaient et posent d'ailleurs en permanence pour les aciers soudables le problème de l'amélioration de leurs propriétés, sans que leur soudabilité soit diminuée.

Une première possibilité consistait à limiter la teneur en carbone et à utiliser les éléments d'alliage classiques (manganèse, chrome, nickel, cuivre, molybdène), mais en teneurs faibles, n'excédant pas 0,7 p. 100. Toutefois, deux autres voies se sont finalement révélées beaucoup plus intéressantes :

– l'addition d'éléments de microalliage susceptibles de donner de fins précipités durcissants de carbures, nitrures ou carbonitrures, comme le niobium, le vanadium et le titane ;

– la recherche de moyens permettant d'obtenir un grain ferritique aussi fin que possible.

On savait par ailleurs que des aciers à structure partiellement ou totalement bainitique ou martensitique revenue pouvaient présenter des caractéristiques très intéressantes, mais, pour obtenir de telles structures sans trop affecter la soudabilité, il fallait trouver des moyens permettant d'utiliser des compositions chimiques relativement peu chargées.

Les traitements thermomécaniques à hautes températures, notamment le laminage contrôlé, allaient permettre de résoudre ces problèmes et de développer de nouvelles familles d'aciers – contenant des éléments de microalliage, niobium, vanadium ou titane –, à caractéristiques très élevées, mais néanmoins facilement soudables.

Ce procédé connut rapidement un développement industriel important et, à l'heure actuelle, après diverses améliorations (abaissement de la température de réchauffage des brames avant laminage, abaissement des températures de fin de laminage, refroidissement accéléré après laminage...), plus de 50 p. 100 des tôles fortes sont fabriquées par laminage contrôlé. On est passé progressivement de nuances dont la limite élastique minimale ne dépassait pas 355 MPa à des nuances ayant des limites élastiques allant jusqu'à 690 MPa. L'utilisation conjointe d'éléments de microalliage et de schémas de laminage contrôlé de plus en plus performants a permis cette progression des caractéristiques sans conséquence fâcheuse pour la soudabilité.

Aciers de construction pour traitements thermiques

Les niveaux de caractéristiques mécaniques désirés sont obtenus, pour cette catégorie d'aciers, par un choix judicieux des compositions chimiques et des conditions de traitement thermique des pièces.

Les différents groupes d'aciers de construction alliés sont, dans l'ordre croissant des trempabilités : les aciers au manganèse-chrome, les aciers au silicium, au silicium-chrome et au silicium-chrome-molybdène, les aciers au chrome, les aciers au chrome-molybdène, les aciers au chrome-vanadium, les aciers au nickel-chrome, les aciers au nickel-chrome-molybdène, et enfin les aciers au chrome-nickel-molybdène.

Les aciers au carbone non alliés sont peu trempants ; ils ne seront utilisés que lorsque la trempe à l'eau est possible.

Les caractéristiques mécaniques qu'il est possible d'obtenir avec chacun de ces aciers sont nombreuses.

Aciers à caractéristiques spéciales

Les aciers précédents ne sont pas les seuls utilisés. La tendance actuelle est à la recherche de limites élastiques et de charges de rupture très élevées afin de répondre aux très fortes sollicitations exigées par les réalisations techniques avancées, aéronautiques et aérospatiales, en particulier. Un nouveau groupe d'aciers de construction dits aciers à haute résistance est né, pour lequel les charges de rupture, à l'état d'emploi, peuvent atteindre et dépasser 2 500 MPa. Ces résistances élevées sont obtenues soit par le traitement de trempe et revenu habituel, soit par des traitements spéciaux comportant un «  durcissement structural » provoqué par la précipitation de certains constituants, carbures ou composés intermétalliques, par exemple.

Le problème ne consistait pas seulement à accroître la résistance, mais, ce faisant, à conserver à l'acier une ductilité suffisante. On a cherché la solution de ce problème dans l'addition d'éléments comme le silicium. Ces éléments augmentent la résistance au revenu et permettent d'obtenir, par trempe et revenu à des températures suffisamment élevées, une bonne combinaison de résistance et de ductilité. Le vanadium et le molybdène ont été employés dans le même but. Des modes d'élaboration spéciaux, comme la fusion sous vide ou sous laitier électroconducteur, améliorent encore sensiblement la ductilité.

Dans d'autres aciers, on cherche à provoquer, dans une martensite relativement douce, la formation d'un précipité durcissant. C'est le cas des aciers dits maraging (la martensite se forme par refroidissement brutal après austénitisation ; puis, un traitement de vieillissement – aging, en anglais – fait précipiter les composés durcissants). Ces aciers contiennent, à côté de 18 p. 100 de nickel, du cobalt et des additions de molybdène et de titane : le précipité durcissant est alors un composé intermétallique de nickel avec le molybdène et le titane.

Dans un autre ordre d'idées, on a procédé à la recherche d'aciers conservant une bonne ductilité aux basses températures. De tels aciers sont nécessaires dans l'industrie du froid, en particulier pour le transport des gaz liquéfiés. Un mode d'élaboration spécial appliqué aux aciers au carbone permet d'avoir une bonne ductilité jusque vers — 45 ⁰C. C'est la limite d'utilisation de ces aciers. Pour de plus basses températures, on doit prendre des aciers spéciaux contenant tous du nickel. Une addition de 2,25 p. 100 de nickel permet d'utiliser l'acier jusque vers — 60 ⁰C ; avec 3,5 p. 100 de nickel, on peut descendre à — 100 ⁰C ; avec 9 p. 100 de nickel, la température limite est — 195 ⁰C. Ce dernier acier est employé, en particulier, pour la construction des réservoirs permettant le transport du gaz naturel liquéfié. Pour les températures encore inférieures, on doit avoir recours aux aciers austénitiques chrome-nickel (cf. Aciers inoxydables).