Acier - Définition

Propriétés et caractéristiques des aciers

L’acier est un alliage essentiellement composé de fer, sa densité varie donc autour de celle du fer (7,32 à 7,86), suivant sa composition chimique et ses traitements thermiques. La densité d’un acier inox est typiquement un peu supérieure à 8. Par exemple, la densité d’un acier inoxydable de type AISI 304 (X2CrNi18-10) est environ 8,02.

Ils ont un module de Young d’environ 210 000 MPa, indépendamment de leur composition. Les autres propriétés varient énormément en fonction de leur composition, du traitement thermo-mécanique et des traitements de surface auxquels ils ont été soumis.

Le traitement thermo-mécanique est l’association :

• d’un traitement thermique, sous la forme d’un cycle chauffage-refroidissement (trempe, revenu…) ;
• d’un traitement mécanique, une déformation provoquant de l’écrouissage (laminage, forgeage, tréfilage…).

Le traitement de surface consiste à modifier la composition chimique ou la structure d’une couche extérieur d’acier. Cela peut être :

• une réaction en phase liquide (chromatation, carburation, nitruration en bain de sel, galvanisation, parkerisation…) ;
• une réaction en phase gazeuse (nitruration en phase liquide) ;
• une projection d’ions (implantation ionique) ;
• un recouvrement (peinture, émail).

Voir aussi l’article détaillé traitements anti-usure.

Différentes « familles » d'aciers

Il existe des aciers faiblement alliés, à faible teneur en carbone, et au contraire des aciers contenant beaucoup d’éléments d’alliage (par exemple, un acier inoxydable typique contient 8 % de nickel et 18 % de chrome en masse).

Différentes classifications

Principes de désignation symbolique des aciers selon la norme EN 1007-1-2.

Chaque pays a son mode de désignation des aciers. Le schéma ci-contre indique la désignation européenne selon la norme EN10027. Cette norme distingue quatre catégories :

• les aciers non-alliés d’usage général (construction), dits « aciers à ferrer les ânes » ;
• les aciers non-alliés spéciaux, pour traitement thermique, malléables, soudables, forgeables… ;
• les aciers faiblement alliés, pour trempe et revenu ; les éléments d’alliage favorisent la trempabilité et permettent d’avoir des structures martensitiques ou bainitiques, donc des aciers à haute dureté, à haute limite élastique, pour les outils, les ressorts, les roulements…
• les aciers fortement alliés :
  • les aciers inoxydables,
  • les aciers rapides, pour les outils à forte vitesse de coupe comme les forets.

Aciers non alliés

Aciers non alliés d’usage général

Ils sont destinés à la construction soudée, à l’usinage, au pliage… On distingue :

• Le type S qui correspond à un usage général de base (construction de bâtiment…)
• Le type E qui est utilisé dans la construction mécanique

La désignation de ces aciers comprend la lettre du type d’acier suivi de la valeur de la limite élastique (Re) en méga-pascal (MPa). S’il s’agit d’un acier moulé, la désignation est précédée de la lettre G. La désignation peut être complétée par des indications supplémentaires (pureté, application dédiée…)

Exemples :

• S185 (anciennement A33), Re = 185 MPa
• E295 (anciennement A50), Re = 295 MPa
• GE295, acier moulé, Re = 295 MPa
• S355 J2 WP, Re = 355 MPa, à grain fin et auto-patinable (c’est l’acier Corten A)

Aciers non alliés spéciaux (type C)

Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à des usages définis à l’avance.

Leurs applications courantes sont les forets (perceuses), ressorts, arbres de transmission, matrices (moules)…

Leur désignation comprend la lettre C suivie de la teneur en carbone multipliée par 100. S’il s’agit d’un acier moulé, on précède la désignation de la lettre G. Exemples :

• C45, acier non allié comportant un taux de 0,45 % de carbone ;
• GC22, acier moulé non allié comportant un taux de 0,22 % de carbone.

Aciers faiblement alliés

Aucun élément d’addition ne dépassant 5 % en masse, ils sont utilisés pour des applications nécessitant une haute résistance.

Exemples de désignation normalisée :

• 35NiCrMo16 : contient 0,35 % de carbone, 4 % de nickel, du chrome et molybdène en plus faible teneur. Cet acier présente une bonne tenue aux chocs ainsi qu’une haute résistance mécanique jusque 600 °C ;
• 100Cr6 : 1 % de carbone et 1,5 % de Chrome. C’est l’acier typique utilisé dans les roulements à billes.

Aciers fortement alliés

Au moins un élément d’addition dépasse les 5 % en masse, destinés à des usages bien spécifiques, on y trouve des aciers à outils, réfractaires, maraging (très haute résistance, utilisés dans l’aéronautique), Hadfields (très grande résistance à l’usure), Invar (faible coefficient de dilatation)

Un exemple de désignation normalisée : X2CrNi18-9 (c’est un acier inoxydable).

Les aciers rapides (high speed steels, HSS) font partie de cette famille.

Aciers inoxydables

Ces aciers présentent une grande résistance à la corrosion, à l’oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). Ils sont essentiellement alliés au chrome, élément qui confère la propriété d’inoxydabilité, et au nickel, élément qui confère de bonnes propriétés mécaniques. Les aciers inoxydables sont classés en quatre familles : ferritique, austénitique, martensitique et austéno-ferritique. Les aciers inoxydables austénitiques sont les plus malléables et conservent cette propriété à très basse température (-200 °C).

Leurs applications sont multiples : chimie, nucléaire, alimentaire, mais aussi coutellerie et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 10,5 % de chrome et moins de 1,2 % de carbone.

Aciers multiphasés

Ces aciers sont conçus suivant les principe des composites : par des traitements thermiques et mécaniques, on parvient à enrichir localement la matière de certains éléments d’alliage. On obtient alors un mélange de phases dures et de phases ductiles, dont la combinaison permet l’obtention de meilleures caractéristiques mécaniques. On citera, par exemple :

• les aciers Dual Phase qui sont la déclinaison moderne de l’acier damassé, mais où la distinction entre phase dure (la martensite) et phase ductile (la ferrite), se fait plus finement, au niveau du grain ;
• Les aciers duplex formés de ferrite et d’austénite dans des proportions sensiblement identiques ;
• les aciers TRIP (TRansformation Induced Plasticity), où la ferrite se transforme partiellement en martensite après une sollicitation mécanique. On débute donc avec un acier ductile, pour aboutir à un acier de type Dual Phase.
• les aciers damassés où des couches blanches ductiles pauvres en carbone absorbent les chocs, et les noires, plus riches en carbone, garantissent un bon tranchant [1] ;