Classement de l'acier :chimie et propriétés

Les caractéristiques déterminantes de l'acier

Les systèmes de classification de l'acier tiennent compte de la composition chimique, du traitement et des propriétés mécaniques pour permettre aux fabricants de sélectionner le produit approprié pour leur application. Outre le 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 à l'aide du formage à chaud et à froid et après la fabrication. Ces techniques permettent de développer des produits aux propriétés mécaniques spécifiques. Cependant, la manipulation de la composition et de 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 manière dont les molécules sont liées entre elles avec des forces à l'œuvre entre ces molécules. Les processus de chauffage et de refroidissement sont utilisés pour modifier 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 au 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. Les aciers à très faible teneur en carbone adopteront également cette même microstructure. La forme caractéristique de la ferrite est une structure cristalline cubique centrée (BCC). Visuellement, imaginez un cube avec une molécule à chaque coin et une molécule au centre du cube. Les molécules sont plus lâchement emballées dans le BCC que dans d'autres microstructures qui contiennent plus de molécules dans chaque cube. Cependant, la quantité de carbone pouvant être ajoutée sans modifier la microstructure de la ferrite est faible, à seulement 0,006 % à température ambiante.

Austénite

L'austénite est une microstructure qui se forme lorsque des alliages à base de fer sont chauffés au-dessus de 1500˚F mais en dessous de 1800˚F. Si l'alliage correct est présent dans l'acier, tel que le nickel, le matériau conservera cette microstructure même lorsqu'il sera refroidi. La forme caractéristique de l'austénite est une structure cristalline cubique à faces centrées (FCC). Visuellement, imaginez un cube avec une molécule à chaque coin et une molécule au centre de chaque côté du cube. Les molécules d'une configuration austénitique sont plus denses 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 austénitique - puis refroidi sans aucun alliage présent pour conserver la forme austénitique - 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 appelé cémentite. La cémentite ne se produit pas seule car une partie du matériau restera sous forme de ferrite.

Perlite

La perlite est une structure stratifiée formée par des couches alternées de ferrite et de cémentite. Il se produit lorsque l'acier se refroidit lentement, formant un mélange eutectique. Un mélange eutectique est un mélange dans lequel deux matières fondues cristallisent simultanément. Dans ces conditions, la ferrite et la cémentite se forment en même temps, ce qui entraîne des couches alternées au sein de la microstructure.

Martensite

La martensite a une structure cristalline tétragonale centrée sur le corps. Cette forme microcristalline est obtenue en refroidissant rapidement l'acier, ce qui provoque le piégeage des 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 à 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'alliage et les méthodes de finition ont toutes un impact sur la microstructure et peuvent donc être utilisées pour manipuler les propriétés du produit fini. Il est possible que deux échantillons ayant 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 façonné dans sa forme finale, puis fini pour éviter la corrosion. L'acier est généralement coulé sous des formes prêtes à l'emploi :blooms, billettes et brames. Les formes coulées sont ensuite formées par laminage. Le laminage peut être effectué à chaud, tiède ou froid selon le matériau et l'application cible. Pendant le laminage, la déformation par compression est réalisée à l'aide de deux cylindres de travail. Les rouleaux 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 provoque 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.

Une fois le laminage terminé, les pièces en acier sont finies à l'aide de 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 modifiée 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 souhaité dans les propriétés mécaniques.

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

• Température de normalisation
  L'austénite est la phase à partir de laquelle d'autres structures se forment. La plupart des traitements thermiques commencent par chauffer l'acier jusqu'à une phase austénitique uniforme de 1 500 à 1 800 °F.
• Température critique supérieure
  La température critique supérieure est le point en dessous duquel la cémentite ou la ferrite commence à se former. Cela se produit lorsque l'acier se refroidit à partir de la température de normalisation. Selon la teneur en carbone, ce point se situe entre 1 333 et 1 670 °F.
• Température critique inférieure
  La température critique inférieure est le point de transformation de l'austénite en perlite. L'austénite ne peut pas exister en dessous de la température critique inférieure de 1333 °F.

La vitesse de refroidissement, de la température de normalisation jusqu'aux températures critiques supérieures et inférieures, déterminera la microstructure de l'acier résultante à température ambiante.

Le traitement thermique comprend 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 pendant 30 heures. Les couches de cémentite dans la microstructure de perlite sont transformées en sphéroïde, ce qui donne la forme d'acier la plus douce et la plus ductile.

Recuit complet

L'acier au carbone est recuit en chauffant d'abord légèrement au-dessus de la température critique supérieure - en maintenant cette température pendant une heure - puis en refroidissant à une vitesse d'environ 36 ° F par heure. Ce processus produit une structure perlitique grossière qui est ductile sans contraintes internes.

Processus de recuit

Le recuit de processus soulage les contraintes dans l'acier à faible teneur en carbone écroui à froid (> 0,3 % C). L'acier est chauffé à 1025–1292°F pendant une heure. Les dislocations de la microstructure sont réparées par reformage du cristal avant 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 progressivement refroidi à température ambiante. Ce processus garantit que le matériau atteint une température et une microstructure uniformes avant la prochaine étape de refroidissement.

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 austénitique. L'acier est ensuite refroidi à l'air. La normalisation crée une microstructure perlitique fine avec une résistance et une dureté élevées.

Extinction

L'acier à moyenne ou haute teneur en carbone 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.

Acier trempé trempé

Le traitement thermique le plus courant car son résultat peut être prédit avec précision. L'acier trempé est réchauffé à une température inférieure au point critique inférieur, puis refroidi. Les températures varient en fonction du résultat souhaité, la plage de 298 à 401 ° F étant la plus courante. Ce processus restaure une certaine ténacité à l'acier trempé cassant en permettant la formation de sphéroïdite.

Propriétés mécaniques

Les propriétés mécaniques sont mesurées conformément aux normes internationales telles que ASTM (American Society for Testing and Materials) ou SAE (Society of Automotive Engineers).

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 obtenue en augmentant la teneur en carbone et en effectuant une trempe qui conduit à la formation de martensite.

Force

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 dans tout le matériau.

Ductilité

La ductilité est la capacité d'un métal à se déformer sous une 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 des dislocations.

Résistance

La ténacité est la capacité à résister aux contraintes sans se casser. L'acier trempé peut être rendu plus résistant par trempe, ce qui ajoute des sphéroïdes à la microstructure.

Usinabilité

L'usinabilité est la facilité avec laquelle l'acier peut être façonné par découpe, meulage ou perçage. L'usinabilité est principalement influencée 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 défaut. Il 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 essais de l'acier, consultez les propriétés et la production des pièces moulées en acier.

Descripteurs de qualité

Les descripteurs de qualité sont appliqués aux produits sidérurgiques dans de larges catégories telles que la qualité marchande, industrielle ou structurelle. Ces étiquettes marquent certains aciers comme étant adaptés à des applications et à des 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 en fonction de plusieurs facteurs différents :

• Fiabilité 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 classement de l'acier

Les spécifications, telles que celles émises par l'ASTM, l'AISI (American Iron and Steel Institute) et la SAE, fournissent un langage standard permettant aux ingénieurs, aux fabricants et aux consommateurs de communiquer les propriétés de l'acier. Le classement est souvent très spécifique, y compris tout, depuis les compositions chimiques, les propriétés physiques, les traitements thermiques, les processus de fabrication et les 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 (catégorie A), 0,30 (catégorie B)
  • Manganèse :0,95 (catégorie A), 1,20 (catégorie B)
  • Phosphore :0,05
  • Soufre :0,045
• Propriétés mécaniques
  • Résistance à la traction, UTS :330 MPa ou 48 000 psi (Grade A), 414 MPa ou 60 000 psi (Grade B)
  • Résistance à la traction, rendement :207 MPa ou 30 000 psi (grade A), 241 MPa ou 35 000 psi (grade B)
• Forme et traitement
  • Tuyau 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 numéro à 4 chiffres pour la classification. Les deux premiers chiffres indiquent le type d'acier et la concentration en éléments 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. Les préfixes de lettre sont utilisés comme descripteurs de qualité pour la qualité marchand.