Procédé Tempcore : Production Avancée de Barres d'Armature TMT

Le procédé Tempcore pour la production de barres d'armature (fer à béton) est un procédé breveté dans lequel la barre laminée à chaud est intensément trempée en surface par eau, immédiatement à la sortie de la dernière cage de laminage à chaud, et pendant le refroidissement à l'air subséquent, la couche externe trempée est revenue par dissipation de la chaleur retenue dans le cœur.

Le procédé Tempcore est l'un des procédés thermomécaniques développé au début des années 1970 par le Centre de Recherches Métallurgiques (CRM) à Liège, Belgique, pour produire des barres d'armature à haute limite d'élasticité soudables à partir de billettes d'acier doux sans altérer leur ductilité et sans ajout d'éléments de micro-alliage.

Exigences de propriétés des barres d'armature

La résistance associée à la ductilité, la soudabilité et l'aptitude au formage sont les exigences de qualité les plus essentielles. Ainsi, la limite d'élasticité, avec la résistance à la traction, est la première exigence pour l'acier d'armature dans les normes, et le grade d'acier est classé selon la limite d'élasticité minimale spécifiée. L'utilisation de barres d'armature de grade supérieur est économique car moins d'acier est nécessaire pour la même condition de charge, et le coût total est réduit. Quand la limite d'élasticité garantie augmente, le poids de barres pour une construction donnée diminue, réduisant les coûts d'armature. Cette réduction de quantité diminue aussi les coûts de transport, manutention et mise en œuvre.

Dans de nombreuses techniques d'assemblage sur chantier, le soudage des barres est nécessaire pour assurer la précision dimensionnelle. Les liaisons nouées ne sont pas assez résistantes tandis que les épissures mécaniques ne sont pas toujours applicables. Le soudage devient donc une exigence et une quantité considérable de soudage sur site a lieu. La soudabilité des barres est donc une préoccupation majeure. Elle requiert une faible teneur en carbone (environ 0,25 % ou même 0,22 % pour la résistance au pointage) et un équivalent carbone faible (environ 0,45 %). Plusieurs méthodes de soudage peuvent être utilisées : soudage à l'arc manuel (MMAW), soudage à l'arc sous gaz (GMAW), soudage flash (FW), soudage par résistance (RW). Parmi ces techniques, le soudage par chevauchement et en croix sont les plus sensibles à la fissuration de la zone thermiquement affectée (ZTA) du fait du faible apport de chaleur et de la dissipation rapide.

Une autre propriété importante est l'aptitude au cintrage. Des barres avec bonne aptitude au cintrage permettent un design optimal et une réduction supplémentaire des coûts. En cas de présence de renforts de liaison, une bonne aptitude au recintrage est requise. Certaines normes prescrivent que les barres réussissent les opérations de cintrage et recintrage sur mandrins de petit diamètre (3 à 4 fois le diamètre de la barre) ou par temps froid (-20 °C).

Auparavant, le design d'une construction en béton était basé sur un concept de contrainte, supposant que les charges de service n'induisent que des contraintes élastiques dans l'acier d'armature. La sécurité se définissait par un rapport de contrainte, ex. rapport entre contrainte de service et limite d'élasticité (figure 1a). Des études récentes ont conclu qu'un calcul basé sur les contraintes n'est pas suffisant car, dans certains cas, des déformations plastiques locales d'une ampleur donnée doivent être absorbées sans rupture des barres (ex. lors du compactage). La sécurité s'exprime alors en termes de rapport de déformation, ex. rapport entre déformation plastique locale possible et allongement uniforme de la barre (figure 1b). Cette approche de conception est adoptée dans de nombreux pays et requiert des barres ductiles avec un allongement uniforme garanti jusqu'à 4 % pour barres brutes et soudées.

Un autre aspect important pour la sécurité est d'empêcher la perte de ductilité après recintrage, réaffirmant la nécessité d'une bonne aptitude au recintrage. L'utilisation de barres à haute limite d'élasticité peut aussi permettre de réduire la largeur des poutres principales ou la taille des colonnes dans les immeubles de grande hauteur, réduisant le coût du béton et de la manutention. Une ductilité adéquate est nécessaire pendant la fabrication pour la sécurité, particulièrement pour les structures où les séismes font partie des considérations de conception. Du point de vue fabrication, où cintrage et recintrage ont lieu, une bonne ductilité est très importante. Cette préoccupation se reflète dans toutes les normes, spécifiant généralement le diamètre minimal du mandrin pour cintrage à 180° et l'allongement total.

D'autres exigences incluent la résistance à la fatigue, propriétés à haute et basse température, propriétés d'impact, résistance à la corrosion, mais ne sont généralement pas spécifiées par les normes nationales bien que la préoccupation augmente.

On voit donc que du point de vue utilisateur, les propriétés importantes requises sont : (i) haute limite d'élasticité, (ii) bonne soudabilité, (iii) bonne aptitude au cintrage et recintrage, (iv) ductilité.

Procédés de production des barres d'armature

Il existe plusieurs procédés conventionnels pour produire des barres d'armature haute résistance soudables, classables en deux catégories distinctes (figure 2) :

1. Barres utilisées en état brut de laminage après refroidissement lent à l'air. La limite d'élasticité est augmentée en modifiant la composition chimique, mais les teneurs en carbone et manganèse doivent rester basses pour éviter une baisse significative de la soudabilité. Cela se fait par micro-alliage : ajout de quantités appropriées d'éléments comme niobium ou vanadium.
2. Barres produites par mise en écrouissage après laminage à chaud, par exemple par déformation à froid. La limite d'élasticité peut être augmentée en augmentant l'écrouissage. Cette méthode permet de produire des barres haute résistance soudables à partir d'aciers à faible carbone et manganèse. Exemple : barres déformées à froid tordues, connues sous le nom de barres CTD.

Procédé Tempcore

Dans le train de laminage produisant les barres, les billettes sont chauffées à environ 1 150 °C dans le four de réchauffage et laminées à travers une séquence de brins qui réduisent progressivement les billettes à la taille et forme finales. À la sortie du dernier brin, un refroidissement contrôlé est appliqué de sorte que la barre subisse trois transformations métallurgiques successives, comme le montre un diagramme de transformation en refroidissement continu (CCT) typique à la figure 3. Le procédé Tempcore dépend de la température et du temps.

Une caractéristique importante est sa grande polyvalence. Les propriétés de la barre pour un diamètre et une composition donnés peuvent être variées largement en choisissant correctement la durée de la première étape (temps de refroidissement) et le débit d'eau dans l'installation de trempe (intensité de refroidissement). Correctement appliqué, le procédé permet d'augmenter la limite d'élasticité de 150 à 230 MPa sans diminution prohibitive de la ductilité. Des grades haute résistance (soudables) et un gain de résistance sont obtenus sans aucun ajout d'éléments d'alliage.

Le Tempcore produit des barres d'armature en acier haute résistance soudables à faible teneur en carbone et manganèse, sans ajout coûteux d'éléments de micro-alliage comme vanadium ou niobium. Comme la même composition de billettes peut être utilisée pour différents grades et diamètres, une rationalisation significative est possible dans l'usine. Le traitement par trempe à l'eau et auto-revenu est appliqué directement en ligne après la cage de finition sans réduction de la vitesse de laminage ni perte de productivité. Par une combinaison judicieuse de traitement Tempcore et chimie de micro-alliage, de nouveaux grades supérieurs (limite d'élasticité > 700 MPa, résistance à la traction > 800 MPa) peuvent être produits, surtout pour gros diamètres (jusqu'à 75 mm).

Le procédé Tempcore comporte trois étapes :

1. Trempe de la couche superficielle : La barre sortant de la dernière cage passe dans une section spéciale de refroidissement à l'eau. L'efficacité est telle que la couche superficielle est trempée en martensite tandis que le cœur reste austénitique. Le traitement s'arrête quand une épaisseur déterminée de martensite s'est formée sous la peau (partie externe de la section tombant sous la température Ms de début de transformation martensitique).
2. Auto-revenu de la martensite : La barre quitte la section de refroidissement intense et un gradient de température s'établit dans sa section, causant un flux de chaleur du centre vers la surface. Cette élévation de température de la couche superficielle entraîne l'auto-revenu de la martensite. Le nom Tempcore illustre que la couche martensitique est revenue (TEMP) par la chaleur restante dans le cœur (CORE) à la fin de l'étape de trempe.
3. Transformation du cœur : Pendant le refroidissement lent sur le lit de refroidissement, le cœur austénitique se transforme en ferrite et perlite, ou en bainite, ferrite et perlite. Une barre Tempcore est essentiellement un matériau composite : couche externe dure, cœur tendre, et couche intermédiaire dureté intermédiaire. Avec une teneur en carbone relativement faible, les barres Tempcore offrent haute résistance, excellente ductilité et soudabilité.

Deux modèles de procédé ont été développés par le CRM (figure 5), continuellement utilisés et améliorés avec les résultats de mise en service. Le premier modèle sert au design des installations : il calcule le temps de trempe nécessaire pour obtenir le grade visé (limite d'élasticité + marge de sécurité) à partir de (i) données de la barre (diamètre, température de fin de laminage), (ii) sélection du diamètre interne des buses de refroidissement, (iii) débit spécifique d'eau. Le second modèle lie les propriétés mécaniques à la composition chimique et au diamètre de la barre.

L'optimisation de chaque nouvelle installation Tempcore tient compte des contraintes du train, de la rectitude des barres, et de la contrôlabilité du procédé, trouvant le meilleur compromis entre : (i) longueur totale de l'équipement, (ii) débit total d'eau de refroidissement (à pression nominale 1,2 MPa), (iii) nombre de gammes de buses nécessaires pour couvrir toute la gamme de diamètres.

Un point important est de réduire le temps et la main-d'œuvre lors des changements de diamètre ou pour produire des produits non-Tempcore. Quand l'espace le permet, une boîte de collecte d'eau latéralement mobile est choisie. Pour les longues lignes, une segmentation en deux ou trois boîtes (chacune mobile latéralement) est possible, comme réalisé récemment pour gros diamètres (jusqu'à 75 mm) : installation la plus longue de 54 m (3 sections de 18 m), équipée de vannes d'arrêt télécommandées sur chaque buse. Quand l'espace (largeur, niveau de ligne de passe) est la contrainte principale, la boîte peut être fixe avec une gamme de buses.

L'installation Tempcore peut aussi être conçue avec 4 lignes de refroidissement parallèles pour le laminage fendu de barres 8-12 mm. Cette ligne a une boîte de collecte compacte, équipée sur chaque brin de contrôle individuel de la longueur de refroidissement et du débit d'eau. D'autres caractéristiques spécifiques : protection des buses inutilisées contre la surchauffe (surtout à l'entrée) par buses à jet plein cône externes, ou par chemises d'eau le long des tuyaux aval avec eau passant par deux buses à jet plein cône pour refroidir l'injecteur. Un dispositif anti-aspiration est placé devant la buse (diamètres ≥ 25 mm) pour empêcher l'aspiration d'air par les buses et éviter la baisse correspondante d'efficacité de refroidissement en tête de billettes.

Contrôle du procédé Tempcore

La procédure de contrôle est basée sur les relations limite d'élasticité / température de revenu, obtenues des essais de mise en service. Si l'épaisseur de la couche martensitique varie par rapport à la limite d'élasticité, la puissance de refroidissement des lignes de trempe doit être ajustée pour obtenir la valeur requise (limite d'élasticité du grade + marge de sécurité).

Les pyromètres sont le cœur du contrôle. La localisation du pyromètre de revenu est primordiale pour mesurer au plus près la température maximale de récupération (maximum atteint par la surface). Le pyromètre à l'entrée de la boîte Tempcore est aussi important pour mesurer la variation de la température de fin de laminage le long de la billette ou entre billettes successives. Une variation de 50 °C de la température de fin correspond à une variation d'environ 8 % de la longueur de refroidissement à débit spécifique égal, et donc à une variation des propriétés de traction après traitement.

Les deux variables de contrôle faciles à ajuster et puissantes sont le débit d'eau et le temps de trempe (figure 6). Le contrôle de la puissance de refroidissement se fait en deux étapes : (1) contrôle principal : ajustement de la longueur de la ligne de trempe (nombre de buses en service). Pour un contrôle efficace et une bonne homogénéité, les buses à arrêter sont les plus en amont. (2) réglage fin : ajustement du débit d'eau en agissant sur la vanne de régulation principale.

La longueur de refroidissement et le temps de trempe sont liés par la vitesse de laminage à la cage de finition. Cette vitesse doit être maintenue constante le long de la billette pendant son passage dans l'équipement de trempe, particulièrement quand la queue quitte la cage. C'est assuré par le rouleau pincette entre la sortie de la boîte Tempcore et le cisailles diviseuse. Sans ce rouleau, quand la queue quitte la cage, les petits diamètres sont décélérés par l'eau tandis que les gros sont accélérés.

Pour un diamètre donné, les paramètres d'entrée (longueur de refroidissement, débit d'eau, température de fin, composition chimique) influencent les paramètres de sortie (température de revenu, limite d'élasticité, résistance à la traction, rapport Rm/Re). Cette influence est montrée en figure 7.

Utilisation correcte de l'installation Tempcore

Pour obtenir un traitement homogène, l'intensité de refroidissement (donnée par le débit d'eau par mètre de ligne) doit être assez élevée pour obtenir un anneau externe de martensite complet et régulier, constant le long de la billette. La bonne rectitude des barres est obtenue avec un traitement Tempcore homogène. Si l'anneau de martensite est ouvert, des barres ondulées sont observées sur le lit de refroidissement. Points importants à ne pas faire :

• Traiter des barres de trop petit diamètre à travers des buses trop grandes : coefficient de remplissage F très bas, anneau de martensite ouvert. Phénomène aussi observé avec buses excessivement usées, souvent par mauvais alignement.
• Utiliser toute la longueur de refroidissement disponible avec un faible débit d'eau par mètre : intensité de refroidissement trop faible.
• La méthode précédente est plus marquée quand la longueur conçue est plus du double de la nécessaire.
• Utiliser une buse active à l'entrée suivie de buses fermées puis une longueur active jusqu'au stripper : le taux de refroidissement est interrompu et trop faible pour une couche de martensite uniforme.
• Cette méthode erronée souvent utilisée pour protéger les buses fermées de la surchauffe (barre chaude ~1000 °C à l'entrée) entraîne des fuites d'eau. Un design correct doit protéger sérieusement ces buses pour éviter la brûlure des joints.
• Obstruction partielle ou totale de certaines buses : refroidissement irrégulier autour du produit.
• Obstruction partielle ou totale des strippers : sur-refroidissement car le refroidissement ne s'arrête pas à la sortie. L'eau dans les guides aval peut affecter la détection par photocellule qui commande le rouleau pincette ou la cisaille.
• Mauvais emplacement du pyromètre de revenu : pas de visibilité pour contrôler le procédé.
• Absence de maintenance des pyromètres (protection électronique par refroidissement, nettoyage périodique de la lentille, vérification périodique devant un four à corps noir) : dérive de température et rebut des barres.
• Absence de rouleau pincette à la sortie de la ligne de trempe, ou pincement/réglage vitesse incorrect : grandes variations des propriétés mécaniques le long de la billette.

Propriétés caractéristiques des barres d'armature Tempcore

Type d'acier

Les aciers pour barres Tempcore sont essentiellement des aciers au carbone ordinaires à faible teneur, spécifiés pour limite d'élasticité, ductilité, carbone ou équivalent carbone, et rapport limite/traction. Les teneurs maximales et minimales en carbone visent à assurer soudabilité et trempabilité. Avec un carbone trop bas, la trempabilité n'est généralement pas suffisante, nécessitant une trempe plus sévère qui affecte le design du train (vitesse, longueur et efficacité de la chambre de refroidissement). Un acier au carbone avec 0,13 % à 0,24 % C et équivalent carbone (CE) < 0,45 % s'est avéré le meilleur équilibre.

Phases métallurgiques et microstructure

Martensite revenue sous forme de paquets de lames fines à morphologie martensitique caractérise la couche durcie. Mélange de bainite et ferrite polygonale dans la couche intermédiaire, ferrite polygonale et perlite dans le cœur.

La microstructure est généralement fine du fait du refroidissement relativement rapide dans le cœur et du traitement thermomécanique Tempcore : grains de ferrite polygonale dans le cœur aussi petits que 8 μm, voire 3 μm avec température de revenu plus basse. Cependant, conglomérats grossiers de pseudo-eutectoïde et ferrite de Widmanstätten dans le cœur sont aussi possibles. La microstructure est montrée en figure 8.

Parfois la ferrite de Widmanstätten se forme du fait d'une température d'égalisation plus élevée. Les causes majeures sont probablement une température de fin de laminage élevée et/ou une déformation de laminage insuffisante. Cela résulte en gros grains austénitiques en fin de laminage, donc martensite et bainite grossières dans les couches durcies. La grande taille de grain austénitique dans le cœur empêche l'impulsion de la ferrite de joint de grain, permettant la croissance de la ferrite de Widmanstätten.

Coupe transversale attaquée typique montrant les trois régions métallurgiques, microstructures typiques et homogénéité de la microstructure Tempcore en figure 9.

Effets des paramètres du procédé et de la composition

Les paramètres du procédé et la composition jouent un rôle dans les propriétés finales. Normalement, si la couche de martensite est plus épaisse, la chaleur retenue est moindre et le revenu plus modeste : limite d'élasticité plus élevée, allongement plus faible. Temps de trempe plus long, température de fin plus basse, intensité de trempe plus élevée → couche martensitique plus épaisse, température de revenu plus basse. Teneurs plus élevées en carbone et manganèse augmentent la trempabilité, donc plus de martensite formée. De plus, la résistance de la martensite revenue augmente avec la teneur en carbone.

Les modèles de la figure 5 décrivent la relation entre limite d'élasticité et tous les paramètres influents. Le modèle servait au design des installations. Bien que la température de revenu n'y apparaisse pas directement, la température de fin, le temps de trempe, le diamètre et le débit d'eau y sont fortement liés. L'allongement des barres Tempcore a une correspondance virtuellement linéaire avec la limite d'élasticité.

Propriétés de traction

Le procédé Tempcore peut augmenter la limite d'élasticité pour une composition donnée de 150 à 200 MPa sans perdre beaucoup d'allongement. Les propriétés de traction dépendent des paramètres du procédé et de la composition. Gamme typique de limite d'élasticité : 415-550 MPa, allongement sur base 5d : 30 % à 25 % dans le même ordre. Caractéristiques de la courbe contrainte-déformation typique : (i) module d'élasticité 200 000 MPa, (ii) point de limite marqué et écoulement de type Lüders, donc contrainte d'épreuve 0,01 % coïncide avec 0,2 %, (iii) rapport limite/traction ~ 0,85, (iv) grand allongement (25-30 %), grande déformation de Lüders, grande déformation uniforme.

Deux caractéristiques majeures comparées aux barres conventionnelles : (i) rapport limite/traction plus élevé, 0,85 vs 0,65, (ii) allongement plus grand, 25 % vs 4,5-22 %.

Aptitude au formage

Autre propriété remarquable : excellentes propriétés de cintrage et recintrage. Malgré la couche externe durcie, diamètre minimal de cintrage pour cintrage simple à 180° : 1d pour diamètres 12-28 mm, 2d pour 32-36 mm. Certaines barres Tempcore (20 et 28 mm) peuvent même être cintrées sans mandrin. Elles résistent à tous les tests de cintrage/recintrage après vieillissement, satisfaisant les normes. Le cintrage demande moins d'énergie grâce au faible rapport traction/limite : économie estimée 10-20 %. Comparaison des propriétés de cintrage dans le tableau 1.

Tableau 1 : Comparaison des propriétés de cintrage des barres Tempcore avec barres conventionnelles
	Essai de cintrage	Valeurs typiques de D
		Aciers conventionnels (CE = 0,61 %)	Barre Tempcore (CE = 0,30 %)
1	Cintrage 180°	3	0,5
2	Cintrage 90° et recintrage après vieillissement	6	3,2
3	Cintrage 90° après soudage bout à bout électrique	15	4
4	Cintrage 90° après soudage en croix électrique	> 20	7

Note : L'aptitude au cintrage est exprimée en termes de diamètre minimal de cintrage D (rapport du diamètre minimal possible au diamètre de la barre).

Soudabilité

La soudabilité est très sensible à la composition chimique, surtout carbone et équivalent carbone (CE). Deux formules populaires : celle de l'Institut International de la Soudure (IIW) et celle d'Ito et Besseyo, couvrant les gammes haute et basse de carbone.

Formule IIW : CE = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15 pour C > 0,18 %. Formule Ito-Besseyo : CE = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B pour C < 0,18 %. La formule IIW montre moins de tolérance aux éléments d'alliage de substitution. Pour la soudabilité des barres, on utilise normalement la formule IIW ou simplifiée (CE = C + Mn/6) du fait de la teneur en carbone.

Avec la formule IIW, CE < 0,45 % = soudable avec techniques modernes. Le CE des barres Tempcore est bien en dessous de 0,45 %, donc supérieur aux autres types.

L'excellente soudabilité est démontrée par le test de cintrage sur soudure en croix (figure 10) : aucun signe de fissuration ZTA sur une barre de 20 mm cintree à 180° sur mandrin 3d. Les barres Tempcore à basse température et/ou mouillées montrent une soudabilité remarquable. Aucun préchauffage ni post-chauffage n'est nécessaire.

L'excellente soudabilité est aussi démontrée par les propriétés de traction après soudage. En soudage bout à bout, pas de diminution de la limite d'élasticité généralement, rupture hors zone de soudure. Sous différents procédés, aucune fissure n'apparaît dans la soudure.

Autres propriétés

Outre haute résistance, excellente ductilité et remarquable soudabilité, les barres Tempcore montrent : bonne ténacité à basse température, moindre sensibilité aux dommages de surface, résistance à la fatigue et sensibilité à la chaleur très compétitives. Démontré qu'à -60 °C, une barre de 20 mm avec entaille 1 mm absorbe 190 cal au test de poids tombant sans rupture. Tests sur barres 12, 16, 20 mm endommagées par amorçage d'arc : pas de rupture à -75 °C. Barres entaillées et vieillies sous contrainte survivent au test à -60 °C.

Un nombre limité de tests de fatigue a été conduit. Ils indiquent que les propriétés de fatigue des barres Tempcore satisfont aux normes. Un test sur barre 12 mm a montré des propriétés supérieures aux barres écrouies à froid. Des investigations sur l'effet du galvanisation ont été menées : tous résultats suggèrent que la résistance à la fatigue des barres Tempcore est aussi bonne que celle d'autres barres à limite d'élasticité équivalente.

Les propriétés de résistance à la chaleur sont importantes du fait du risque d'incendie. Évaluées de deux façons : (i) perte de résistance à température ambiante après chauffage préalable, (ii) perte de résistance à température élevée. Après chauffage en laboratoire 250-900 °C pendant 30 min, la résistance à température ambiante augmente légèrement jusqu'à 500 °C puis chute significativement au-delà. Cette propriété est aussi bonne que barres tordues à froid et meilleure que certaines barres laminées à chaud. Barres écrouies à froid perdent de la résistance dès 300-400 °C. Barres laminées à chaud perdent considérablement dès 350 °C. Barres laminées à chaud faiblement alliées micro-alliées commencent à perdre à 600 °C. Résistance à température élevée des barres Tempcore similaire aux barres écrouies et micro-alliées : réduction de 20 % et 40 % de la limite d'élasticité à 300 °C et 500 °C respectivement.