Aciers standard : composition, propriétés et applications

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L'acier est le terme générique désignant une grande famille d'alliages fer-carbone malléables, dans une certaine plage de température, immédiatement après solidification depuis l'état fondu.

Les principales matières premières de la sidérurgie sont le minerai de fer, le charbon et le calcaire. Ces matériaux sont convertis dans un haut-fourneau en « fonte brute » (pig iron), contenant des quantités considérables de carbone, manganèse, soufre, phosphore et silicium. La fonte brute est dure, cassante et impropre au traitement direct en formes forgées. L'affinage consiste à raffiner la fonte brute ainsi que les ferrailles de fer et d'acier en éliminant les éléments indésirables de la fusion, puis en ajoutant les éléments souhaités en quantités prédéterminées. Une réaction primaire dans la plupart des procédés d'affinage est la combinaison du carbone avec l'oxygène pour former un gaz. Si l'oxygène dissous n'est pas éliminé de la fusion avant ou pendant la coulée, les produits gazeux continuent d'évoluer pendant la solidification. Si l'acier est fortement désoxydé par l'ajout d'éléments désoxydants, aucun gaz n'évolue, et l'acier est dit « tué » car il reste calme dans les moules. Des degrés croissants d'évolution gazeuse (désoxydation diminuée) caractérisent les aciers dits « semi-tués », « calottés » ou « effervescents ». Le degré de désoxydation affecte certaines 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, 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 va de quelques centièmes de pourcent à environ 1 %. Tous les aciers contiennent également des quantités variables d'autres éléments, principalement le manganèse, qui agit comme désoxydant et facilite le travail à chaud. Le silicium, le phosphore et le soufre sont aussi toujours présents, ne serait-ce qu'à l'état de traces. D'autres éléments peuvent être présents, soit comme résidus non ajoutés intentionnellement mais issus des matières premières ou du procédé sidérurgique, soit comme éléments d'alliage ajoutés pour modifier les propriétés de l'acier.

Les aciers peuvent être coulés en forme, ou la lingotière ou la brâme peut être réchauffée et travaillée à chaud par laminage, forgeage, extrusion ou autres procédés en un profilé d'usine. Les aciers forgés (wrought steels) sont les matériaux d'ingénierie les plus largement utilisés, offrant une multitude de formes, finitions, résistances et plages de températures utilisables. Aucun autre matériau n'offre une polyvalence comparable pour la conception de produits.

Classification standard des aciers

Les aciers forgés peuvent être classés systématiquement en groupes basés sur une caractéristique commune, telle 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 standard aux aciers forgés. Bien que le carbone soit l'élément principal de durcissement et de renforcement dans l'acier, aucun élément unique ne contrôle 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 l'aptitude au formage. Les aciers standard peuvent être divisés en trois grands groupes : aciers au carbone, aciers alliés et aciers inoxydables.

Aciers au carbone

Un acier qualifie comme acier au carbone lorsque sa teneur en manganèse est limitée à 1,65 % (max), le silicium à 0,60 % (max) et le cuivre à 0,60 % (max). À l'exception des désoxydants et du bore lorsqu'il est spécifié, aucun autre élément d'alliage n'est ajouté intentionnellement, mais ils peuvent être présents comme résidus. Si l'un de ces éléments incidentels 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 tués, semi-tués, calottés ou effervescents, et, lorsque nécessaire, la méthode de désoxydation peut être spécifiée.

Aciers alliés

Les aciers alliés comprennent non seulement les nuances qui dépassent les limites de teneur en éléments pour l'acier au carbone, mais aussi toute nuance à laquelle des éléments différents de ceux utilisés pour l'acier au carbone sont ajoutés, dans des plages ou minimums spécifiques, pour améliorer les propriétés mécaniques, les caractéristiques de fabrication ou tout autre attribut de l'acier. Par 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'aciers alliés, qui incluent les aciers inoxydables et de nombreux aciers à outils.

Au sens technique, le terme acier allié est réservé aux aciers contenant une quantité modérée d'éléments d'alliage (environ 1-4 %) et dépendant 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 spéciales. Les aciers alliés nécessitent généralement des soins supplémentaires tout au long de leur fabrication car ils sont plus sensibles aux opérations thermiques et mécaniques.

Aciers inoxydables

Les aciers inoxydables sont des aciers hautement alliés et ont une résistance à la corrosion supérieure aux aciers au carbone et aux aciers faiblement alliés conventionnels 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 a été d'usage aux États-Unis d'inclure dans la classification des aciers inoxydables ceux contenant aussi peu que 4 % de chrome. Ensemble, ces aciers forment une famille connue sous le nom d'aciers inoxydables et résistant à la chaleur, certains possédant une résistance et une résistance à l'oxydation très élevées. Peu, cependant, contiennent plus de 30 % de chrome ou moins de 50 % de fer.

Au sens large, les aciers inoxydables standard peuvent être divisés en trois groupes basés sur leurs structures : austénitiques, ferritiques et martensitiques. Dans chacun des trois groupes, il existe une composition représentant l'alliage de base, usage général. Toutes les autres compositions dérivent de l'alliage de base, avec des variations spécifiques de composition pour obtenir des propriétés très spécifiques.

Les nuances austénitiques sont non magnétiques à l'état recuit, bien que certaines puissent devenir légèrement magnétiques après écrouissage à froid. Elles ne peuvent être durcies que par écrouissage à froid, et non par traitement thermique, et combinent une résistance exceptionnelle à la corrosion et à la chaleur avec de bonnes propriétés mécaniques sur une large plage de températures. Les nuances austénitiques sont subdivisées en deux sous-groupes : les types chrome-nickel et les types chrome-manganèse-faible nickel moins fréquemment utilisés. La composition de base du groupe chrome-nickel est largement connue sous le nom 18-8 (Cr-Ni) et est la nuance austénitique usage général. Cette nuance est la base de plus de 20 modifications caractérisables comme suit : le rapport chrome-nickel a été modifié pour changer les caractéristiques de formage ; la teneur en carbone a été diminuée pour prévenir la corrosion intergranulaire ; les éléments niobium ou titane ont été ajoutés pour stabiliser la structure ; ou le molybdène a été ajouté ou les teneurs en chrome et 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. Elles peuvent être durcies dans une certaine mesure par écrouissage à froid, mais pas par traitement thermique, et combinent résistance à la corrosion et à la chaleur avec des propriétés mécaniques modérées et un attrait décoratif. Les nuances ferritiques sont généralement restreintes à une gamme plus étroite de conditions corrosives que les austénitiques. La nuance ferritique de base contient 17 % de chrome. Dans cette série, il existe des modifications à usinage libre et des nuances à teneur en chrome accrue pour améliorer la résistance à l'écaillage. Sont aussi dans ce groupe ferritique un acier à 12 % de chrome (la composition de base du groupe martensitique) avec d'autres éléments, comme l'aluminium ou le titane, ajoutés pour prévenir le durcissement.

Les nuances martensitiques standard sont magnétiques et peuvent être durcies par trempe et revenu. Elles contiennent du chrome et, avec deux exceptions, pas de nickel. La nuance martensitique de base contient normalement 12 % de chrome. Il existe plus de 10 compositions standard dans la série martensitique ; certaines sont modifiées 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 grandement augmentée, dans la gamme des aciers à outils, et sont durcissables aux niveaux les plus élevés de tous les aciers inoxydables. Les nuances martensitiques sont excellentes pour le service dans des environnements doux comme l'atmosphère, l'eau douce, la vapeur et les acides faibles, mais ne résistent pas aux solutions sévèrement corrosives.

Systèmes de numérotation pour métaux et alliages

Plusieurs systèmes de numérotation différents ont été développés pour les métaux et alliages par diverses associations professionnelles, sociétés d'ingénierie, 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 que le produit doit satisfaire. Les systèmes de numérotation en usage incluent ceux développés par l'AISI (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers), ASTM (American Society for Testing and Materials), ANSI (American National Standards Institute), Steel Founders Society of America, ASME (American Society of Mechanical Engineers), AWS (American Welding Society), Aluminum Association, Copper Development Association, U.S. Department of Defense (Spécifications militaires), et le General Accounting Office (Spécifications fédérales).

Le Unified Numbering System (UNS) a été développé par un effort conjoint de l'ASTM et du SAE pour fournir un moyen de corrélation des différents systèmes de numérotation pour métaux et alliages ayant une standing commercial. Ce système évite la confusion causée quand plus d'un numéro d'identification est utilisé pour spécifier le même matériau, ou quand le même numéro est attribué à deux matériaux entièrement différents. Il est important de comprendre qu'un numéro UNS n'est pas une spécification ; c'est un numéro d'identification pour métaux et alliages pour lesquels des spécifications détaillées sont fournies ailleurs. Les numéros UNS sont montrés dans le Tableau 1 ; chaque numéro consiste en un préfixe lettre suivi de cinq chiffres. Dans certains, la lettre suggère la famille de métaux identifiée par la série, comme A pour l'aluminium et C pour le cuivre. Chaque fois que possible, les numéros dans les groupes UNS contiennent des séquences de numérotation prises directement d'autres systèmes pour faciliter l'identification du matériau ; par ex., le numéro UNS correspondant à l'AISI 1020 est G10200. Les numéros UNS correspondant aux numéros AISI-SAE couramment utilisés pour identifier les aciers au carbone ordinaires, alliés et à outils sont donnés dans le Tableau 2.

Résumé

Cet article a décrit les principaux types d'aciers standard. En savoir plus sur les propriétés des matériaux dans le Machinery's Handbook, 30e édition, publié et disponible chez Industrial Press sur Amazon.

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