Propriétés, compositions et applications des aciers standards

L'acier est le terme générique désignant une grande famille d'alliages fer-carbone qui sont malléables, dans une certaine plage de températures, immédiatement après la solidification à partir de l'état fondu.

Les principales matières premières utilisées dans la fabrication de l'acier sont le minerai de fer, le charbon et le calcaire. Ces matériaux sont transformés dans un haut fourneau en un produit connu sous le nom de « fonte brute », qui contient des quantités considérables de carbone, de manganèse, de soufre, de phosphore et de silicium. La fonte brute est dure, cassante et ne convient pas à la transformation directe en formes forgées. La fabrication de l'acier est le processus d'affinage de la fonte brute ainsi que des déchets de fer et d'acier en éliminant les éléments indésirables de la masse fondue, puis en ajoutant des éléments souhaitables en quantités prédéterminées. Une réaction primaire dans la plupart des sidérurgies est la combinaison du carbone avec l'oxygène pour former un gaz. Si l'oxygène dissous n'est pas éliminé de la masse fondue avant ou pendant la coulée, les produits gazeux continuent à évoluer pendant la solidification. Si l'acier est fortement désoxydé par l'ajout d'éléments désoxydants, aucun gaz ne se dégage et l'acier est dit "tué" car il repose tranquillement dans les moules. Des degrés croissants de dégagement de gaz (diminution de la désoxydation) caractérisent les aciers dits "semi-calmés", "coiffés" ou "cerclés". Le degré de désoxydation affecte certaines des propriétés de l'acier. En plus de l'oxygène, l'acier liquide contient des quantités mesurables d'hydrogène et d'azote dissous. Pour certaines applications critiques de l'acier, des pratiques de désoxydation spéciales ainsi que des traitements sous vide peuvent être utilisés pour réduire et contrôler les gaz dissous.

La teneur en carbone des nuances d'acier courantes varie de quelques centièmes de pour cent à environ 1 pour cent. Tous les aciers contiennent également des quantités variables d'autres éléments, principalement du manganèse, qui agit comme désoxydant et facilite le travail à chaud. Le silicium, le phosphore et le soufre sont également toujours présents, ne serait-ce qu'à l'état de traces. D'autres éléments peuvent être présents, soit en tant que résidus qui ne sont pas ajoutés intentionnellement mais résultent des matières premières ou des pratiques de fabrication de l'acier, soit en tant qu'éléments d'alliage ajoutés pour modifier les propriétés de l'acier.

Les aciers peuvent être coulés en forme, ou le lingot ou le toron coulé peut être réchauffé et travaillé à chaud par laminage, forgeage, extrusion ou autres procédés en une forme forgée. Les aciers forgés sont les matériaux d'ingénierie les plus largement utilisés, offrant une multitude de formes, de finitions, de résistances et de plages de températures utilisables. Aucun autre matériau n'offre une polyvalence comparable pour la conception de produits.

Classification standard de l'acier

Les aciers corroyés peuvent être classés systématiquement en groupes en fonction de certaines caractéristiques communes, telles que la composition chimique, la pratique de désoxydation, la méthode de finition ou la forme du produit. La composition chimique est la base la plus souvent utilisée pour identifier et attribuer des désignations normalisées aux aciers corroyés. Bien que le carbone soit le principal élément de durcissement et de renforcement de l'acier, aucun élément ne contrôle à lui seul les caractéristiques de l'acier. L'effet combiné de plusieurs éléments influence la réponse au traitement thermique, la dureté, la résistance, la microstructure, la résistance à la corrosion et la formabilité. Les aciers standard peuvent être divisés en trois groupes principaux :les aciers au carbone, les aciers alliés et les aciers inoxydables.

Acier au carbone

Un acier est qualifié d'acier au carbone lorsque sa teneur en manganèse est limitée à 1,65 % (max), en silicium à 0,60 % (max) et en cuivre à 0,60 % (max). À l'exception des désoxydants et du bore lorsqu'ils sont spécifiés, aucun autre élément d'alliage n'est ajouté intentionnellement, mais ils peuvent être présents sous forme de résidus. Si l'un de ces éléments accessoires est considéré comme préjudiciable pour des applications spéciales, des limites maximales acceptables peuvent être spécifiées. Contrairement à la plupart des aciers alliés, les aciers au carbone sont le plus souvent utilisés sans traitement thermique final; cependant, ils peuvent être recuits, normalisés, cémentés ou trempés et revenus pour améliorer la fabrication ou les propriétés mécaniques. Les aciers au carbone peuvent être calmés, semi-calmés, coiffés ou cerclés et, si nécessaire, la méthode de désoxydation peut être spécifiée.

Acier allié

Les aciers alliés comprennent non seulement les nuances qui dépassent les limites de teneur en éléments pour l'acier au carbone, mais également toute nuance à laquelle des éléments différents de ceux utilisés pour l'acier au carbone sont ajoutés, dans des plages spécifiques ou des minimums spécifiques, pour améliorer les propriétés mécaniques, les caractéristiques de fabrication ou tout autre attribut de l'acier. Selon cette définition, les aciers alliés englobent tous les aciers autres que les aciers au carbone ; cependant, par convention, les aciers contenant plus de 3,99 % de chrome sont considérés comme des "types spéciaux" d'acier allié, qui comprennent les aciers inoxydables et de nombreux aciers à outils.

Dans un sens technique, le terme acier allié est réservé aux aciers qui contiennent une quantité modeste d'éléments d'alliage (environ 1 à 4 %) et dépendent généralement de traitements thermiques pour développer des propriétés mécaniques spécifiques. Les aciers alliés sont toujours tués, mais des pratiques spéciales de désoxydation ou de fusion, y compris le vide, peuvent être spécifiées pour des applications critiques particulières. Les aciers alliés nécessitent généralement des soins supplémentaires tout au long de leur fabrication car ils sont plus sensibles aux opérations thermiques et mécaniques.

Acier inoxydable

Les aciers inoxydables sont des aciers fortement alliés et ont une résistance à la corrosion supérieure aux aciers au carbone et conventionnels faiblement alliés car ils contiennent des quantités relativement importantes de chrome. Bien que d'autres éléments puissent également augmenter la résistance à la corrosion, leur utilité à cet égard est limitée.

Les aciers inoxydables contiennent généralement au moins 10 % de chrome, avec ou sans autres éléments. Il est toutefois d'usage aux États-Unis d'inclure dans la classification des aciers inoxydables les aciers qui contiennent aussi peu que 4 % de chrome. Ensemble, ces aciers forment une famille connue sous le nom d'aciers inoxydables et réfractaires, dont certains possèdent une résistance mécanique et une résistance à l'oxydation très élevées. Cependant, peu contiennent plus de 30 % de chrome ou moins de 50 % de fer.

Au sens le plus large, les aciers inoxydables standards peuvent être divisés en trois groupes en fonction de leurs structures :austénitique, ferritique et martensitique. Dans chacun des trois groupes, il y a une composition qui représente l'alliage de base à usage général. Toutes les autres compositions sont dérivées de l'alliage de base, avec des variations spécifiques de composition pour obtenir des propriétés très spécifiques.

Les nuances austénitiques sont amagnétiques à l'état recuit, bien que certaines puissent devenir légèrement magnétiques après écrouissage. Ils ne peuvent être durcis que par écrouissage, et non par traitement thermique, et associent une excellente résistance à la corrosion et à la chaleur à de bonnes propriétés mécaniques sur une large plage de températures. Les nuances austénitiques sont en outre classées en deux sous-groupes :les types chrome-nickel et les types moins fréquemment utilisés chrome-manganèse-faible nickel. La composition de base du groupe chrome-nickel est largement connue sous le nom de 18-8 (Cr-Ni) et est la nuance austénitique à usage général. Cette nuance est à la base de plus de 20 modifications qui peuvent être caractérisées comme suit :le rapport chrome-nickel a été modifié pour changer les caractéristiques de mise en forme; la teneur en carbone a été diminuée pour éviter la corrosion intergranulaire; les éléments niobium ou titane ont été ajoutés pour stabiliser la structure; ou du molybdène a été ajouté ou les teneurs en chrome et en nickel ont été augmentées pour améliorer la résistance à la corrosion ou à l'oxydation.

Les nuances ferritiques standard sont toujours magnétiques et contiennent du chrome mais pas de nickel. Ils peuvent être durcis dans une certaine mesure par travail à froid, mais pas par traitement thermique, et ils combinent une résistance à la corrosion et à la chaleur avec des propriétés mécaniques modérées et un attrait décoratif. Les nuances ferritiques sont généralement limitées à une gamme plus étroite de conditions corrosives que les nuances austénitiques. La nuance ferritique de base contient 17 % de chrome. Dans cette série, il existe des modifications d'usinage libre et des nuances avec une teneur en chrome accrue pour améliorer la résistance à l'entartrage. Dans ce groupe ferritique se trouve également un acier à 12 % de chrome (la composition de base du groupe martensitique) avec d'autres éléments, tels que l'aluminium ou le titane, ajoutés pour empêcher le durcissement.

Les nuances martensitiques standard sont magnétiques et peuvent être durcies par trempe et revenu. Ils contiennent du chrome et, à deux exceptions près, pas de nickel. La qualité martensitique de base contient normalement 12 % de chrome. Il existe plus de 10 compositions standards dans la série martensitique; certains sont modifiés pour améliorer l'usinabilité et d'autres ont de petites additions de nickel ou d'autres éléments pour améliorer les propriétés mécaniques ou leur réponse au traitement thermique. D'autres encore ont une teneur en carbone considérablement accrue, dans la gamme des aciers à outils, et sont trempables aux niveaux les plus élevés de tous les aciers inoxydables. Les nuances martensitiques sont excellentes pour le service dans des environnements doux tels que l'atmosphère, l'eau douce, la vapeur et les acides faibles, mais ne résistent pas aux solutions fortement corrosives.

Systèmes de numérotation des métaux et alliages

Plusieurs systèmes de numérotation différents ont été développés pour les métaux et alliages par diverses associations professionnelles, sociétés d'ingénierie professionnelles, organismes de normalisation et industries privées pour leur propre usage. Le code numérique utilisé pour identifier le métal ou l'alliage peut ou non être lié à une spécification, qui est un énoncé des exigences techniques et commerciales auxquelles le produit doit répondre. Les systèmes de numérotation utilisés comprennent ceux développés par l'American Iron and Steel Institute (AISI), la Society of Automotive Engineers (SAE), l'American Society for Testing and Materials (ASTM), l'American National Standards Institute (ANSI), la Steel Founders Society of America, American Society of Mechanical Engineers (ASME), American Welding Society (AWS), Aluminium Association, Copper Development Association, U.S. Department of Defense (Military Specifications) et General Accounting Office (Federal Specifications).

Le système de numérotation unifié (UNS) a été développé grâce à un effort conjoint de l'ASTM et de la SAE pour fournir un moyen de corréler les différents systèmes de numérotation pour les métaux et alliages qui ont une réputation commerciale. Ce système évite la confusion causée lorsque plus d'un numéro d'identification est utilisé pour spécifier le même matériau, ou lorsque le même numéro est attribué à deux matériaux entièrement différents. Il est important de comprendre qu'un numéro UNS n'est pas une spécification; il s'agit d'un numéro d'identification pour les métaux et alliages pour lesquels des spécifications détaillées sont fournies ailleurs. Les numéros UNS sont indiqués dans le tableau 1; chaque numéro se compose d'un préfixe alphabétique suivi de cinq chiffres. Dans certains cas, la lettre évoque la famille de métaux identifiée par la série, comme A pour l'aluminium et C pour le cuivre. Dans la mesure du possible, les numéros des groupes UNS contiennent des séquences de numérotation tirées directement d'autres systèmes pour faciliter l'identification du matériel; par exemple, le numéro UNS correspondant pour l'acier AISI 1020 est G10200. Les numéros UNS correspondant aux numéros AISI-SAE couramment utilisés pour identifier les aciers au carbone, alliés et à outils sont indiqués dans le tableau 2.

Résumé

Cet article décrit les principaux types d'aciers standards. Pour en savoir plus sur les propriétés des matériaux, consultez le Machinery's Handbook, 30e édition, publié et disponible auprès d'Industrial Press sur Amazon.

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