Classification des aciers expliquée : chimie, propriétés et guide de sélection

Les caractéristiques définissant l'acier

Les systèmes de classification de l'acier considèrent la composition chimique, le traitement et les propriétés mécaniques pour permettre aux fabricants de sélectionner le produit approprié pour leur application. En dehors du pourcentage réel de carbone et d'autres alliages dans le matériau, la microstructure a également une influence significative sur les propriétés mécaniques de l'acier.

Il est important de comprendre la définition de la microstructure — et la façon dont la microstructure de l'acier peut être manipulée en utilisant le formage à chaud et à froid et après la fabrication. Ces techniques peuvent être utilisées pour développer des produits avec des propriétés mécaniques spécifiques. Cependant, manipuler la composition et la microstructure entraînera un compromis entre différentes propriétés. Par exemple, un acier plus dur peut se retrouver avec une résistance réduite.

Microstructure

La microstructure d'un matériau est la façon dont les molécules sont jointes ensemble avec des forces en jeu entre ces molécules. Les processus de chauffage et de refroidissement sont utilisés pour changer la microstructure d'une forme à une autre, modifiant ainsi les propriétés du matériau.

La microstructure n'est pas observable à l'œil nu mais peut être étudiée sous un microscope. L'acier peut adopter plusieurs microstructures distinctes — ferrite, perlite, martensite, cémentite et austénite.

Ferrite

La ferrite est le terme utilisé pour la structure moléculaire du fer pur à température ambiante. L'acier avec une teneur en carbone très faible adoptera également cette même microstructure. La forme caractéristique de la ferrite est une structure cristalline cubique centrée sur le corps (CCC). Visuellement, imaginez un cube avec une molécule à chaque coin et une molécule au centre du cube. Les molécules sont moins densément empactées dans le CCC que dans d'autres microstructures qui contiennent plus de molécules dans chaque cube. Cependant, la quantité de carbone qui peut être ajoutée sans changer la microstructure de ferrite est faible, à seulement 0,006 % à température ambiante.

Austénite

L'austénite est une microstructure qui se forme lorsque les alliages à base de fer sont chauffés au-dessus de 1500 °F (815 °C) mais en dessous de 1800 °F (980 °C). Si le bon alliage est présent dans l'acier, comme le nickel, le matériau conservera cette microstructure même lorsqu'il est refroidi. La forme caractéristique de l'austénite est une structure cristalline cubique à faces centrées (CFC). Visuellement, imaginez un cube avec une molécule à chaque coin et une molécule au centre de chaque face du cube. Les molécules dans une configuration austénite sont plus densément empactées que celles de la ferrite. L'austénite peut contenir jusqu'à 2 % de carbone et est une microstructure courante de l'acier inoxydable.

Cémentite

Lorsque l'acier au carbone est chauffé dans la gamme austénite — puis refroidi sans aucun alliage présent pour maintenir la forme austénite — la microstructure revient à la forme ferrite. Cependant, si la teneur en carbone est supérieure à 0,006 %, les atomes de carbone en excès se combinent avec le fer pour former un composé chimique appelé carbure de fer (Fe3C), également connu sous le nom de cémentite. La cémentite ne se produit pas seule car une partie du matériau restera sous forme de ferrite.

Perlite

La perlite est une structure lamellaire formée par des couches alternées de ferrite et de cémentite. Elle se produit lorsque l'acier est refroidi lentement, formant un mélange eutectique. Un mélange eutectique est celui dans lequel deux matériaux en fusion cristallisent simultanément. Sous ces conditions, la ferrite et la cémentite sont toutes deux formées en même temps, résultant en des couches alternées dans la microstructure.

Martensite

La martensite a une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps. Cette forme microcristalline est atteinte en refroidissant l'acier rapidement, ce qui piège les atomes de carbone à l'intérieur du réseau de fer. Le résultat net est une structure très dure, en forme d'aiguille, de fer et de carbone. L'acier avec une structure microcristalline de martensite est généralement un alliage d'acier à faible teneur en carbone contenant environ 12 % de chrome.

Il est important pour les fabricants d'acier et les consommateurs de comprendre la microstructure de l'acier et comment elle affecte les propriétés mécaniques du matériau. La teneur en carbone, les concentrations d'alliages et les méthodes de finition ont tous un impact sur la microstructure et peuvent donc être utilisés pour manipuler les propriétés du produit fini. Il est possible que deux échantillons avec la même teneur en alliage aient des microstructures différentes selon les méthodes de finition et les traitements thermiques utilisés.

Formage à chaud et à froid

Une fois l'acier fondu coulé, il doit être formé dans sa forme finale et ensuite fini pour prévenir la corrosion. L'acier est généralement coulé dans des formes prêtes pour l'usinage : blumes, billettes et brames. Les formes coulées sont ensuite formées par laminage. Le laminage peut être effectué à chaud, tiède ou à froid selon le matériau et l'application cible. Pendant le laminage, la déformation par compression est accomplie en utilisant deux cylindres de travail. Les cylindres tournent rapidement pour tirer et presser simultanément l'acier entre eux.

Formage à froid

Le formage à froid est le processus de laminage de l'acier en dessous de sa température de recristallisation. La pression exercée par les cylindres sur l'acier cause des dislocations dans la microstructure du matériau, créant ainsi des grains dans le matériau. Au fur et à mesure que ces dislocations s'accumulent, l'acier devient plus dur et plus difficile à déformer davantage. Le laminage à froid rend également l'acier cassant, ce qui peut être surmonté par un traitement thermique.

Après la fin du laminage, les pièces d'acier sont finies en utilisant des techniques de traitement secondaire pour prévenir la corrosion et améliorer les propriétés mécaniques :

• Revêtement
• Traitement de surface
• Traitement thermique

Traitement thermique

Effets du traitement thermique

La microstructure de l'acier peut être altérée par un chauffage et un refroidissement contrôlés. Cela a conduit au développement de diverses méthodes de traitement thermique pour modifier la microstructure et atteindre un changement désiré dans les propriétés mécaniques.

Les microstructures de l'acier subissent des changements de phase à des températures spécifiques. Le traitement thermique est basé sur la compréhension et la manipulation de certains points de transformation :

• Température de normalisation
  L'austénite est la phase à partir de laquelle les autres structures sont formées. La plupart des traitements thermiques commencent par chauffer l'acier à une phase austénitique uniforme de 1500 à 1800 °F (815 à 980 °C).
• Température critique supérieure
  La température critique supérieure est le point en dessous duquel la cémentite ou la ferrite commencent à se former. Cela se produit lorsque l'acier refroidit depuis la température de normalisation. Selon la teneur en carbone, ce point se situe entre 1333 et 1670 °F (723 à 910 °C).
• Température critique inférieure
  La température critique inférieure est le point de transformation austénite-perlite. L'austénite ne peut pas exister en dessous de la température critique inférieure de 1333 °F (723 °C).

Le taux de refroidissement — depuis la température de normalisation et à travers les températures critiques supérieure et inférieure — déterminera la microstructure de l'acier résultante à température ambiante.

Le traitement thermique inclut une gamme de processus, y compris le recuit, la trempe et le revenu. Dans l'acier, la ductilité et la résistance ont une relation inverse. Les traitements thermiques peuvent soit augmenter la ductilité au détriment de la résistance, soit vice versa.

Types de traitement thermique

Sphéroïdisation

La sphéroïdisation se produit lorsque l'acier au carbone est chauffé à environ 1290 °F (700 °C) pendant 30 heures. Les couches de cémentite dans la microstructure de perlite sont transformées en sphéroïde, résultant en la forme la plus douce et la plus ductile de l'acier.

Recuit complet

L'acier au carbone est recuit en le chauffant d'abord légèrement au-dessus de la température critique supérieure — en maintenant cette température pendant une heure — puis en le refroidissant à un taux d'environ 36 °F (20 °C) par heure. Ce processus produit une structure perlite grossière qui est ductile sans contraintes internes.

Recuit de processus

Le recuit de processus soulage le stress dans l'acier à faible teneur en carbone travaillé à froid (> 0,3 % C). L'acier est chauffé à 1025–1292 °F (550–700 °C) pendant une heure. Les dislocations dans la microstructure sont réparées par la reforme du cristal avant le refroidissement.

Recuit isotherme

L'acier à haute teneur en carbone est d'abord chauffé au-dessus de la température critique supérieure. Ensuite, il est maintenu, refroidi à la température critique inférieure, et maintenu à nouveau. Il est ensuite refroidi progressivement à température ambiante. Ce processus assure que le matériau atteint une température et une microstructure uniformes avant l'étape de refroidissement suivante.

Normalisation

L'acier au carbone est chauffé à la température de normalisation pendant une heure. À ce stade, l'acier entre complètement dans la phase austénite. L'acier est ensuite refroidi à l'air. La normalisation crée une microstructure perlite fine avec une résistance et une dureté élevées.

Trempe

L'acier au carbone moyen ou élevé est chauffé à la température de normalisation, puis trempé (refroidissement rapide par immersion dans l'eau, la saumure ou l'huile) à la température critique supérieure. Le processus de trempe produit une structure martensitique — extrêmement dure, mais cassante.

Revenu de l'acier trempé

Le traitement thermique le plus courant car son résultat peut être prédit avec précision. L'acier trempé est réchauffé à une température en dessous du point critique inférieur, puis refroidi. Les températures varient selon le résultat prévu — la gamme de 298 à 401 °F (148 à 205 °C) étant la plus courante. Ce processus restaure une certaine ténacité à l'acier trempé cassant en permettant à certains sphéroïdes de se former.

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques sont mesurées conformément aux normes internationales telles que l'ASTM (Société américaine pour les essais et matériaux) ou la SAE (Société des ingénieurs de l'automobile).

Propriétés mécaniques clés de l'acier

Dureté

La dureté est la capacité d'un matériau à résister à l'abrasion. L'augmentation de la dureté peut être réalisée en augmentant la teneur en carbone, et par la trempe qui mène à la formation de martensite.

Résistance

La résistance du métal est la quantité de force nécessaire pour déformer un matériau. La normalisation d'une pièce d'acier améliorera sa résistance en créant une microstructure cohérente à travers le matériau.

Ductilité

La ductilité est la capacité d'un métal à se déformer sous contrainte de traction. L'acier formé à froid a une faible ductilité en raison des dislocations dans la microstructure. Le recuit de processus améliorera cela en permettant aux cristaux de se reformer et donc d'éliminer certaines dislocations.

Ténacité

La ténacité est la capacité à résister au stress sans se briser. L'acier trempé peut être rendu plus tenace par le revenu qui ajoute des sphéroïdes à la microstructure.

Usinabilité

L'usinabilité est la facilité avec laquelle l'acier peut être façonné par coupe, meulage ou perçage. L'usinabilité est influencée principalement par la dureté. Plus le matériau est dur, plus il est difficile à usiner.

Soudabilité

La soudabilité est la capacité de l'acier à être soudé sans défauts. Elle dépend principalement de la composition chimique et du traitement thermique. Le point de fusion, ainsi que la conductivité électrique et thermique, ont tous une influence sur la soudabilité d'un matériau.

Pour plus d'informations sur les propriétés mécaniques et les tests de l'acier, voir les propriétés et la production des moulages en acier.

Descripteurs de qualité

Les descripteurs de qualité sont appliqués aux produits en acier dans de larges catégories telles que la qualité marchande, industrielle ou structurelle. Ces étiquettes marquent certains aciers comme étant adaptés à des applications et processus de fabrication spécifiques, permettant une navigation et une prise de décision plus rapides sur le marché. L'acier est placé dans des catégories spécifiques basées sur plusieurs facteurs différents :

• Solidité interne
• Composition chimique et uniformité
• Degré d'imperfections de surface
• Étendue des tests pendant la fabrication
• Le nombre, la taille et la distribution des inclusions
• Trempabilité

Systèmes de classification de l'acier

Les spécifications, telles que celles émises par ASTM, AISI (American Iron and Steel Institute) et SAE, fournissent un langage standard pour les ingénieurs, fabricants et consommateurs pour communiquer les propriétés de l'acier. La classification est souvent très spécifique — incluant tout, des compositions chimiques, propriétés physiques, traitements thermiques, processus de fabrication et formes.

ASTM

Le système ASTM utilise une lettre descriptive suivie d'un numéro séquentiel. Par exemple, 'A' indique un métal ferreux, et '53' est le numéro attribué à l'acier au carbone galvanisé.

ASTM A53 aurait les propriétés suivantes :

• Composition chimique, Max %
  • Carbone : 0,25 (Grade A), 0,30 (Grade B)
  • Manganèse : 0,95 (Grade A), 1,20 (Grade B)
  • Phosphore : 0,05
  • Soufre : 0,045
• Propriétés mécaniques
  • Résistance à la traction, Rm : 330 MPa ou 48 000 psi (Grade A), 414 MPa ou 60 000 psi (Grade B)
  • Limite d'élasticité, Re : 207 MPa ou 30 000 psi (Grade A), 241 MPa ou 35 000 psi (Grade B)
• Forme et traitement
  • Tube NPS 1/8 – NPS 26
  • Acier galvanisé
  • Noir et trempé à chaud
  • Revêtu de zinc
  • Soudé et sans soudure

SAE

Le système de numérotation AISI/SAE utilise un nombre à 4 chiffres pour la classification. Les deux premiers chiffres indiquent le type d'acier et la concentration de l'élément d'alliage, et les deux derniers chiffres indiquent la concentration en carbone.

Par exemple, SAE 5130 décrit un acier contenant 1 % de chrome et 0,30 % de carbone. Des préfixes de lettres sont utilisés comme descripteurs de qualité pour la qualité marchande.