Aciers alliés de construction
Table des matières
Les aciers alliés structurels sont des aciers destinés à la fabrication de composants de machines et d’équipements fonctionnant dans des conditions considérées comme typiques pour la mécanique des structures, c’est-à-dire à des températures comprises entre environ -40 °C et 300 °C et dans des environnements qui ne sont pas particulièrement agressifs sur le plan chimique. En pratique, cela signifie que lorsque les charges mécaniques prédominent et que l’environnement n’exige pas de résistance à la corrosion ou à la chaleur, le critère de sélection de base est un ensemble de propriétés mécaniques plutôt que des propriétés « spéciales ».
Le paramètre le plus fréquemment requis n’est en rien la « résistance à la traction » elle-même, mais la limite d’élasticité élevée, car celle-ci détermine si le composant va commencer à se déformer de manière permanente sous la charge de travail. Dans le même temps, les éléments structurels fonctionnent rarement dans des conditions parfaitement statiques. En réalité, des charges variables, des chocs et des vibrations se produisent, c’est pourquoi la résistance à la fatigue et la résistance à la rupture fragile sont très importantes. Dans ce contexte, un concept majeur est la température de transition ductile-fragile (Tpk), car à basse température, l’acier peut se comporter de manière beaucoup plus fragile, même les concentrations de contraintes locales (par exemple, les entailles, les transitions de section transversale, les défauts de surface) deviennent dangereuses. Si un composant doit fonctionner sous l’effet de frottements et de contacts glissants ou roulants, il doit présenter une dureté et une résistance à l’usure élevées, généralement attendues en produisant une couche superficielle dure tout en conservant un noyau ductile.
C’est là que nous pouvons comprendre pourquoi les aciers alliés sont si souvent préférés aux aciers au carbone. L’acier au carbone peut atteindre une dureté élevée après trempe, mais sa principale limitation est sa faible trempabilité, ce qui signifie qu’avec des sections transversales plus grandes (le matériau spécifie une limite d’environ 25 mm), il n’est pas possible d’obtenir un état trempé uniforme sur toute la section transversale. Par conséquent, après le revenu, le composant présente des propriétés différentes à la surface et au cœur, ce qui est particulièrement désavantageux dans les structures soumises à des charges dynamiques. Grâce à ses additifs, l’acier allié permet une réponse plus « prévisible » et uniforme du matériau sur toute la section transversale du composant.
Pourquoi l’alliage fonctionne
Dans les aciers de construction, l’alliage est un outil qui modifie principalement la cinétique des transformations de l’austénite et influence ainsi la structure obtenue après refroidissement. L’effet pratique le plus important est une augmentation de la trempabilité, c’est-à-dire la capacité de l’acier à former des structures de durcissement (martensitiques ou bainitiques) non seulement à la surface, mais aussi en profondeur dans le matériau. Dans la pratique, cela a deux effets clés. Premièrement, cela permet de tremper des composants plus grands dans des milieux de refroidissement plus doux (par exemple, dans l’huile plutôt que dans l’eau), ce qui réduit le risque de fissures et limite la déformation. Deuxièmement, cela permet une trempe à cœur, après la trempe et le revenu, c’est-à-dire un ensemble de propriétés du cœur et de la surface qui sont cohérentes sur toute la section transversale.
Le second mécanisme important est l’effet des additifs sur la fragmentation des composants structurels et sur le comportement de l’acier durant le revenu. Une structure plus fine, après la transformation de l’austénite surfondue, signifie généralement une résistance plus élevée tout en conservant une meilleure résistance à la rupture. Dans le même temps, de nombreux additifs d’alliage permettent à l’acier de « conserver » ses propriétés bénéfiques pendant le revenu et de ne pas les perdre aussi facilement, car les processus de ramollissement sont retardés ou nécessitent une température plus élevée. Ceci est important, car dans la conception des machines, nous ne parlons pas de bénéficier d’une dureté maximale, mais un compromis durable, qui soit… limite d’élasticité élevée + résistance aux chocs + stabilité des propriétés.
C’est pour cette raison que les aciers alliés sont très fréquemment utilisés à l’état traité thermiquement. La composition chimique seule suffit rarement. Pour que l’acier puisse fonctionner comme étant un matériau de structure hautement fiable, dans la pratique, l’ensemble du processus est conçu de cette manière…
Sélection de l’acier + sélection du procédé (normalisation, traitement thermique, cémentation, nitruration, durcissement superficiel) + sélection des paramètres de refroidissement et de trempe. Ce n’est qu’alors que l’alliage devient un véritable « contrôle de la structure » et non plus un simple ajout d’éléments à l’analyse chimique.
Aciers faiblement alliés à résistance accrue
Les aciers faiblement alliés à résistance accrue, souvent utilisés à l’état normalisé, occupent une place importante parmi les aciers alliés de construction. Leur spécificité est à trouver dans le fait qu’ils doivent combiner une limite d’élasticité accrue (le matériau indique une plage d’environ 300-460 MPa) avec une soudabilité pratique. Afin de conserver la soudabilité, la teneur en carbone est donc limitée. En effet, le matériau spécifie qu’elle ne dépasse pas environ 0,22 %. Ceci est très important, notamment dans ce groupe, car l’objectif n’est en rien d’augmenter les propriétés en « augmentant le carbone », mais en contrôlant la structure et en utilisant des additifs d’alliage modérés.
À l’état normalisé, il existe deux « modèles » de microstructure. Le premier est celui des aciers perlitiques avec une structure ferritique-perlitique, dans laquelle les éléments d’alliage sont présents, dans la solution solide, dans la ferrite ou font partie des carbures dans la perlite. L’augmentation de la résistance par rapport aux aciers au carbone ayant une teneur en carbone similaire est due au fait que les additifs durcissent la ferrite, favorisent alors une proportion plus élevée de composants plus durs et aident au raffinement du grain. Les additifs typiques de ce groupe sont principalement le manganèse, le cuivre, le silicium et l’aluminium et dans certaines variétés tout autant le vanadium et le niobium. Les plages typiques sont également indiquées, notamment le manganèse dans la plage de 1,0 à 1,8 % et le silicium dans la plage de 0,20 à 0,60 %.
Le second modèle est celui des aciers bainitiques qui, à l’état normalisé, bénéficient d’une structure bainitique grâce à un ensemble d’additifs qui retardent les transformations de diffusion et ils favorisent la formation de bainite durant le refroidissement. Nous devons préciser que ce groupe peut contenir de petites quantités d’additifs tels que le molybdène et le bore, ainsi que des additifs qui affectent la cinétique des transformations, ainsi le manganèse et le chrome, ce qui permet d’atteindre des niveaux de résistance très élevés, même lorsqu’ils sont refroidis à l’air (le matériau offre une plage de 1100 à 1200 MPa). Cela montre la logique de cette famille de matériaux ! Leur soudabilité est maintenue grâce à une faible teneur en carbone et la « résistance » est assurée par la structure obtenue par normalisation, soutenue par un alliage approprié.
Aciers pour la cémentation et le durcissement superficiel
Les aciers destinés à la cémentation sont principalement sélectionnés en fonction du fait que le composant doit présenter une couche superficielle très dure, tandis que le cœur doit conserver sa ductilité et sa résistance à la fissuration. Il s’agit donc d’aciers à faible teneur en carbone dans le cœur. Pour précision, le matériau se situe généralement dans une fourchette d’environ 0,14 à 0,25 % de C. La raison technologique est simple… C’est que le cœur reste « souple », comprendre moins cassant, et la dureté élevée n’apparaît que dans la zone superficielle, là où du carbone a été introduit durant le processus de cémentation et cette couche est durcie ensuite.
Il est possible de cémenter les aciers au carbone, mais nous devons souligner que cette solution est principalement indiquée pour les petits composants à section transversale réduite ou lorsque la résistance à l’abrasion est importante, mais qu’une résistance élevée du noyau n’est pas requise. Avec des sections transversales plus grandes, l’acier au carbone peut fournir une surface dure, mais le cœur n’atteint alors pas la résistance souhaitée, étant donné que le composant ne durcit pas en section transversale. De plus, pour garantir la dureté de la couche dans l’acier au carbone, un refroidissement plus rapide est souvent nécessaire, ce qui augmente la déformation et le risque de fissures.
Par conséquent, dans la pratique, les aciers alliés pour la cémentation prédominent, car les additifs alliés offrent une plus grande trempabilité et confèrent des propriétés favorables à la couche, ainsi qu’au cœur, souvent lorsqu’ils sont trempés dans l’huile.
Ce matériau attire toutefois l’attention sur une limite importante. Un alliage excessif, en particulier dans une couche à teneur en carbone accrue, peut favoriser la formation d’une plus grande quantité d’austénite résiduelle, ce qui peut à son tour réduire la dureté de la couche cémentée. Il s’agit là d’une conclusion pratique importante, car elle montre que la cémentation ne consiste pas du tout à maximiser les additifs, mais bien à les sélectionner de manière optimale.
Nous abordons maintenant le rôle du chrome, qui est présent dans pratiquement tous les aciers destinés à la cémentation, généralement en quantités de 1 à 2 %, car il augmente efficacement la trempabilité et facilite la formation d’une couche dure pendant le refroidissement à l’huile. L’ajout de nickel permet en outre d’améliorer encore la trempabilité et les propriétés du cœur, c’est pourquoi les composants majeurs sont souvent fabriqués en aciers au chrome-nickel. Dans le même temps, nous soulignons que le nickel est un composant rare, son utilisation est donc justifiée par des exigences opérationnelles plutôt que par la « coutume ». Dans la pratique, des solutions de manganèse sont également utilisées, mais il est alors nécessaire de contrôler les phénomènes indésirables (par exemple, concernant le grain) et des additifs tels que le molybdène ou le titane sont utilisés comme adjuvants, dans le but d’améliorer les propriétés et de favoriser la fragmentation.
Les aciers destinés au durcissement superficiel sont sélectionnés selon une logique similaire, l’objectif étant d’avoir pour résultat une surface dure avec un cœur solide. Le matériau indique généralement une teneur en carbone comprise entre 0,4 et 0,6 % pour les aciers utilisés pour ce type de traitement. Dans le cas d’exigences plus élevées en matière de propriétés du cœur (en particulier pour les sections transversales plus élevées), la pratique consiste à effectuer d’abord un traitement thermique de l’ensemble de l’élément, puis seulement, à la suite, le durcissement superficiel.
Aciers pour traitement thermique et groupes spécialisés
Les aciers destinés au traitement thermique sont conçus pour offrir un compromis très avantageux après trempe et revenu, fait de haute résistance et de limite d’élasticité, tout en conservant leur ductilité et leur résistance aux chocs.
Le traitement thermique (trempe + revenu élevé) conduit à des structures sorbites et constitue le moyen de base pour bénéficier de propriétés élevées dans les composants de machines. Le matériau indique que les températures de revenu typiques se situent dans une plage comprise entre environ 500 et 700 °C et que les niveaux de propriétés peuvent atteindre Rm 750-1500 MPa et Re 550-1350 MPa. Il est tout autant essentiel que l’acier allié permette d’atteindre cet état sur toute la surface, avec des sections transversales plus grandes, tandis que les aciers au carbone sont généralement suffisants, principalement pour des sections transversales allant jusqu’à environ 20-25 mm.
Dans ce groupe de paramètres de processus, le choix ne se fait donc pas « à l’aveuglette », car le revenu est un compromis. Une température plus élevée améliore généralement la plasticité au détriment de la résistance, tandis qu’une température plus basse confère une résistance plus élevée au détriment d’une plus grande sensibilité à la fissuration.
Le matériau met également en évidence le phénomène de fragilité de revenu, qui se manifeste par une diminution de la résistance aux chocs, dans certaines plages de température. Une diminution caractéristique autour de 300 °C et une seconde diminution au-dessus de 500 °C ont été identifiées, sachant que dans ce dernier cas, il est nécessaire, dans la pratique, que la vitesse de refroidissement après le revenu soit importante. Un refroidissement accéléré (par exemple dans l’eau ou dans l’huile) peut réduire l’effet négatif par rapport à un refroidissement lent. Cela montre que la « température de revenu » n’est pas la seule variable ! Mais bien que la manière dont le processus est réalisé est particulièrement décisive.
En ce qui concerne l’alliage, dans les aciers destinés au traitement thermique, nous devons souligner ici le rôle des additifs tels que le chrome (augmente la trempabilité et influe sur le comportement au revenu), le molybdène (qui contribue à réduire certains effets indésirables, notamment la tendance à la fragilité au revenu et augmente la trempabilité). Par ailleurs, le nickel est particulièrement recherché, car il augmente la trempabilité et améliore les propriétés plastiques, tout en abaissant la température de transition ductile-fragile, intérêt considérable lors du travail à des températures réduites.
Nous pouvons donc dire que les aciers au chrome-nickel sont parmi les meilleurs de ce groupe, bien qu’ils nécessitent un contrôle des phénomènes liés à la trempe, d’où la pratique consistant à ajouter du molybdène et parfois aussi du vanadium.
Outre les aciers destinés au renforcement, il existe des groupes d’aciers alliés de construction dont la fonction est suffisamment clairement définie.
Les aciers pour nitruration sont sélectionnés pour produire une couche dure de nitrures. C’est pourquoi des additifs tels que l’aluminium, le chrome et le molybdène sont utilisés et le processus est généralement précédé d’un traitement thermique, la température de revenu devant être supérieure à la température de nitruration afin que le cœur ne change pas de structure pendant la nitruration elle-même.
Les aciers à ressort sont conçus pour offrir une limite élastique et une résistance à la fatigue toutes deux élevées, le matériau met l’accent sur le rôle du silicium et l’importance de la qualité de la surface (l’oxydation et la décarburation nuisent gravement à la résistance à la fatigue) et le traitement typique comprend la trempe et le revenu pour maintenir une résistance élevée.
Les aciers à roulements doivent offrir une dureté et une résistance à l’abrasion et aux pressions de contact très élevées. Ce matériau fait référence à l’acier typique à haute teneur en carbone et en chrome. Le traitement typique comprend la trempe à l’huile et un revenu faible à environ 180 °C afin d’avoir pour résultat des structures à grains fins avec des carbures fins.
Nous pouvons tout autant signaler des solutions plus spécialisées encore, mais toujours dans le domaine « structurel » au sens large. Les aciers maraging (alliages de fer avec du nickel) forment une martensite ductile après durcissement et n’atteignent une résistance élevée qu’après vieillissement, lorsque des précipités de phase intermétallique apparaissent. C’est la voie vers des propriétés exceptionnelles, mais à un prix élevé.
À leur tour, le traitement thermique et plastique combinent la déformation plastique de l’austénite avec le durcissement, de sorte que la martensite « hérite » d’une structure de dislocation et d’une fragmentation plus denses, ce qui se traduit par une augmentation significative de la résistance (le matériau indique que cette augmentation peut atteindre plusieurs %, voire plusieurs dizaines de %), mais ceci rend difficile l’usinage ultérieur.
Aciers de construction alliés – Résumé
Les aciers d’acier allié sont utilisés lorsqu’il est nécessaire d’avoir pour résultat certaines propriétés mécaniques reproductibles, dans des conditions de fonctionnement typiques, tout en maintenant la sécurité du composant sous des charges variables.
Leur avantage par rapport aux aciers au carbone réside principalement dans leur plus grande trempabilité, qui permet le traitement thermique et le façonnage des propriétés sur des sections transversales plus grandes, souvent avec un refroidissement plus doux et donc avec moins de risques de fissures et de déformations. Dans la pratique, le choix de l’acier de construction allié correspond au choix de l’ensemble du système. Nous avons don composition + type de traitement thermique (normalisation, affinage, cémentation, nitruration, durcissement superficiel) + paramètres du processus, car seul cet ensemble détermine la microstructure et… la microstructure détermine les propriétés !
Au sein de ce groupe, les éléments suivants se distinguent particulièrement :
– les aciers normalisés faiblement alliés (pour lesquels la soudabilité et la limite d’élasticité sont primordiales)
– les aciers pour la cémentation et le durcissement superficiel (pour lesquels une couche dure et un cœur ductile sont majeurs, avec le contrôle de phénomènes tels que l’austénite résiduelle)
– les aciers pour traitement thermique (tandis que le compromis entre les propriétés et le choix conscient du revenu, y compris la prise en compte de la fragilité de revenu, est indispensable), et enfin
– des groupes spécialisés tels que les aciers pour nitruration, les aciers à ressort et les aciers pour roulements.
