Acier
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L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008 à environ 2 % en masse). La teneur en carbone a une influence considérable (et assez complexe) sur les propriétés de l'acier : en deçà de 0,008 %, l'alliage est plutôt malléable et on parle de « fer » ; au-delà de 2 %, les inclusions de carbone sous forme graphite fragilisent la microstructure et on parle de fonte. Entre ces deux valeurs, l'augmentation de la teneur en carbone a tendance à améliorer la résistance mécanique et la dureté de l'alliage ; on parle d'aciers « doux, mi-doux, mi-durs, durs ou extra-durs » (classification traditionnelle).
On modifie également les propriétés des aciers en ajoutant d'autres éléments, principalement métalliques, et on parle d'aciers alliés. De plus, on peut encore améliorer grandement leurs caractéristiques par des traitements thermiques (notamment les trempes) prenant en surface ou à cœur de la matière ; on parle alors d'aciers traités.
Outre ces diverses potentialités, et comparativement aux autres alliages métalliques, l'intérêt majeur des aciers réside d'une part dans le cumul de valeurs élevées dans les propriétés mécaniques fondamentales : résistance aux efforts (module d'élasticité, limite élastique, résistance mécanique), dureté, résistance aux chocs (résilience). D'autre part, leur coût d'élaboration reste relativement modéré, car le minerai de fer est abondant sur terre (environ 5 % de l'écorce). Enfin les aciers sont pratiquement entièrement recyclables grâce à la filière ferraille.
On peut néanmoins leur reconnaître quelques inconvénients, notamment leur mauvaise résistance à la corrosion, mais à laquelle on peut remédier, soit par divers traitements de surface (peinture, brunissage, zingage, galvanisation à chaud, etc.), soit par l'addition d'éléments réalisant des nuances dites «inoxydables». Par ailleurs, les aciers sont difficilement moulables, donc peu recommandés pour les pièces volumineuses de formes complexes (bâtis de machines, par exemple). On leur préfère alors des fontes. Enfin, lorsque leur masse volumique est compromettante (dans secteur aéronautique par exemple), on se tourne vers des matériaux plus légers (alliages à base d'aluminium, composites, etc.), mais parfois beaucoup plus chers.
De ce fait, les aciers restent privilégiés dans presque tous les domaines d'application : équipements publics (rails, signalisation), bâtiment (armatures, structures porteuses, ferronnerie, quincaillerie), moyens de transport (carrosseries, transmission), composants mécaniques (visserie, ressorts, câbles, roulements, engrenages), outillage de frappe (marteaux, burins, matrices, etc.) et de coupe (fraises, forets, porte-plaquette), etc. La liste est loin d'être exhaustive.
Sommaire |
[modifier] Histoire de l'acier
Depuis l'Âge du fer, on utilisait les bas fourneaux pour produire des massiots composés de fer et d'acier, qui devait ensuite être travaillé à la main par les forgerons.
On considère souvent Réaumur comme le fondateur de la sidérurgie scientifique moderne. Il réalise de très nombreuses expériences afin d'améliorer la fabrication de l'acier et publie le résultat de ses observations en 1712.
L'acier est apparu par l'évolution de la métallurgie, vers 1786. Cette année-là, trois savants français, Berthollet, Gaspard Monge et Vandermonde, caractérisèrent trois types de produits obtenus à partir de la coulée des hauts-fourneaux : le fer, la fonte et l'acier. L'acier était alors obtenu à partir du fer, lui-même produit par affinage de la fonte issue du haut-fourneau. L'acier était plus dur que le fer et moins fragile que la fonte.
Au XIXe siècle sont apparues des méthode de fabrication directe de conversion de la fonte, avec les convertisseur Bessemer en 1856 (Henry Bessemer) le procédé Thomas-Gilchrist en 1877 (Sidney Gilchrist Thomas et Percy Carlyle Gilchrist de déphosphoration de la fonte et Siemens-Martin. Ces découvertes, permettant la fabrication en masse d'un acier de « qualité » (pour l'époque), participent à la Révolution industrielle. Enfin, vers la seconde moitié du XIXe siècle, Dmitry Chernov découvre les transformations polymorphes de l'acier et établit le diagramme binaire fer/carbone, faisant passer la métallurgie de l'état d'artisanat à celui de science.
Voir l'article détaillé : Histoire de la production de l'acier.
[modifier] Fabrication de l'acier
Voir l'article détaillé Fabrication de l'acier.
[modifier] Composition des aciers
On distingue plusieurs types d'aciers selon le pourcentage de carbone qu'ils contiennent :
- les aciers hypoeutectoïdes (de 0,008 à 0,77 % de carbone) qui sont les plus mous ;
- les aciers eutectoïdes (0,77 % de carbone) ;
- les aciers hypereutectoïdes (de 0,77 à 2,11 % de carbone) qui sont les plus durs ;
La structure cristalline des aciers à l'équilibre thermodynamique dépend de leur concentration (essentiellement en carbone mais aussi des autres éléments d'alliage), et de la température. On peut aussi avoir des structures hors équilibre (par exemple dans le cas d'une trempe).
La structure du fer pur dépend de la température :
- en dessous de 721°C et au-dessus de 1 400°C le fer (fer α) a une structure cristalline cubique à corps centré (structure cristalline à température ambiante) ;
- entre 721°C et 950°C jusqu'à 1 400°C le fer (fer γ) a une structure cristalline cubique à faces centrées.
Les aciers non alliés (au carbone) peuvent contenir jusqu'à 2,11 % en masse de carbone. Certains aciers alliés peuvent contenir plus de carbone par l'ajout d'éléments dits « gammagènes ».
Le carbone provient du procédé de réduction du minerai, qui se fait avec du coke dans un haut-fourneau. Selon les propriétés désirées, on ajoute ou on enlève des éléments d'alliage :
- le bore renforce la cohésion des joints de grains, on en ajoute parfois en faible teneur (quelques centaines de ppm en masse) ;
- le soufre fragilise l'acier, par précipitation de sulfures aux joints de grains, on l'enlève donc lors de l'élaboration ;
- le nickel et le chrome protègent de la corrosion en venant former une couche passive, ils sont donc présents dans les aciers dits « inoxydables » ;
- mais aussi le magnésium, l'aluminium, le silicium, le titane, le manganèse, le cobalt, le zinc, l'yttrium...
| Les différentes phases de l'acier | |
|---|---|
[modifier] 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 10 % de nickel et 18 % de chrome en masse).
[modifier] Aciers non alliés
[modifier] Aciers non alliés à usage général (types S, E, ...)
Ils ont une faible teneur en carbone et sont les plus utilisés, leurs qualités pouvant varier. Leurs applications vont de la construction soudée à l'ameublement en passant par l'électroménager.
[modifier] Aciers spéciaux (type C)
Leur composition est plus précise et plus pure et correspond à des usages définis à l'avance. Leurs applications courantes sont forets, ressorts, arbres, matrices, etc...
[modifier] Aciers inoxydables
L'acier inoxydable est une des trois grandes familles d'aciers qui présente une grande résistance à la corrosion, à l'oxydation à chaud et au fluage (déformation irréversible). C'est un acier fortement allié. Ses applications sont multiples: chimie, nucléaire, mais aussi couteaux et équipements ménagers. Ces aciers contiennent au moins 12 % de chrome.
[modifier] Autres aciers alliés
[modifier] Aciers faiblement alliés
Aucun élément d'addition ne dépassant 5 % en masse, ils sont utilisés pour des applications nécessitant une haute résistance.
Un exemple de désignation normalisée: 35 NiCrMo16. Le premier chiffre (35) represente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Ni, Cr et Mo) et leurs pourcentages respectifs multipliés par un coefficent dépendant de sa nature définie par le tableau dessous.
| Elément d'addition | coefficient |
|---|---|
| Cr, Co, Mn, Ni, Si, W | 4 |
| Al, Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr | 10 |
| Ce, N, P, S | 100 |
| B | 1 000 |
[modifier] 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), à roulements.
Un exemple de désignation normalisée: X2CrNi18-9 où X est la lettre représentant les aciers fortement alliés, le premier chiffre (2) répresente le pourcentage de carbone multiplié par 100, les lettres qui suivent sont les éléments d'addition (Cr et Ni) et leurs pourcentages respectifs donc ici on a un acier fortement allié avec 0,02 % de carbone allié avec du chrome à hauteur de 18 % et de nickel à hauteur de 9 %.
Les aciers rapides (HS) font partie de cette famille et sont décrits par les lettres HS suivies de la teneur des éléments d'alliages suivants: W, Mo, V, Co
[modifier] Propriétés des aciers
Ils ont un module de Young d'environ 200 GPa, 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...) ;
- une réaction en phase gazeuse (nitruration en phase liquide) ;
- une projection d'ions (implantation ionique) ;
- un recouvrement (peinture, zingage).
Voir aussi l'article détaillé traitements anti-usure.
[modifier] Économie
[modifier] Entreprises productrices
Entreprises productrices : Arcelor, JFE, Nippon Steel, Posco, Corus, ThyssenKrupp AG, Bao steel, Riva, Sumitomo, Mittal Steel, Erasteel.
[modifier] Évolution de la fabrication d'acier pendant le XXe siècle
Définition :
Acier brut : acier liquide ou acier sous forme de demi-produit (brame, billette ou blooms). Il ne s'agit pas de produits finis (tôle, fil...).
| 1900 | 1910 | 1920 | 1930 | 1940 | 1950 | 1960 | 1970 | 1980 | 1990 | 2000 | 2001 | 2002 | 2003 | 2004 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Unité : Million de tonnes | 28 | 60 | 72 | 95 | 141 | 190 | 347 | 595 | 716 | 770 | 948 | 850 | 903 | 969 | 1 057 |
[modifier] Répartition géographique de la fabrication
Source : International Iron & Steel Institut (http://www.worldsteel.org/)
[modifier] Répartition géographique de la consommation
Les chiffres de consommation sur dix ans montre une très forte augmentation de la demande d'acier par la Chine. En 2004, la demande chinoise entraîne des fortes augmentations de prix de l'acier (de 20 à 50 %). Elle crée également des tensions pour l'approvisionnement. Un fait symptomatique, le fabricant automobile japonais Nissan, a fermé pendant une semaine (du 29 novembre au 8 décembre 2004) trois usines sur les quatre qu'il possède au Japon à cause de rupture d'approvisionnement en acier (et probablement d'une politique d'achat trop agressive). Ces fermetures ont entraîné un déficit de fabrication de vingt cinq mille voitures soit une perte de quarante quatre millions d'euro.
- Pays producteurs
- Usines productrices
- Restrictions américaines en 2002, levées en décembre 2003.
[modifier] Utilisation
L'acier a de nombreuses applications dans l'automobile, la construction, l'emballage (boîtes de conserve)...
[modifier] Recyclage
L'acier est facilement récupérable au milieu d'autres déchets au moyen d'un tri magnétique. Son caractère magnétique lui permet en effet d'être attiré par un aimant. L'acier est recyclable à l'infini. Le recyclage permet de faire des économies de minerai, d'eau et d'énergie.
[modifier] Symbolique
- L'acier est le 7eme niveau dans la progression de la Sarbacane Sportive.
[modifier] Voir aussi
- Liste des producteurs d'acier
- Aciérie électrique
- Thyssen, grande famille allemande de l'acier
[modifier] Liens externes
- Qu'est-ce que l'acier ?, un article de la Fédération française de l'acier
- La sidérurgie de 1850 à nos jours, un article du site des élèves de l'ENS
- L'Office Technique pour l'Utilisation de l'Acier
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