L'Acier

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Propriétés de l’acier : généralités

Les propriétés de l’acier sont qu’il a une grande capacité de mise en forme et de durabilité et une bonne conductivité thermique. Il possède également une résistance à la corrosion pour les aciers inoxydables. Sa légèreté relative et sa capacité de résistance à la traction, aux limites d’élasticité et aux changements de température lui confèrent une place majeure dans les matériaux de construction. L’acier est capable de développer différentes propriétés mécaniques en fonction de sa composition, de son processus de transformation, de ses traitements thermomécaniques et de son revêtement métallique ou organique.

Toutes ces propriétés font que ce matériau est très utilisé dans l’ingénierie et la construction.

Propriétés de résistance de l’acier :

La résistance de l’acier se caractérise à travers plusieurs propriétés :

  • ductilité, c’est-à-dire la capacité de se déformer sans se rompre,
  • ténacité de l’acier, ou encore sa résistance opposée aux déformations
  • sa résistance aux efforts de pénétration (essai de dureté)
  • son élasticité (essai de traction)
  • sa résistance aux chocs (ténacité) et sa fragilité (essai de résilience)

Propriétés de dureté de l’acier :

Ce matériau est très dur par nature. Sa solidité dépend avant tout de la quantité de carbone qui le compose : Moins il y a de carbone plus l’acier est malléable, plus il y a de carbone plus l’acier est rigide mais jusqu’à une certaine limite car sa composition se rapproche de la fonte et devient donc cassant. (au-delà de 2% de carbone)

Propriétés de soudabilité de l’acier :

La soudabilité de l’acier dépend essentiellement de sa teneur en carbone et dans le pourcentage de ses éléments d’addition (Manganèse, Chrome, Nikel, Molybdène, Cuivre, Silicium, Aluminium, Titane…). En règle générale, moins l’acier contient de carbone, plus il est soudable. Au-delà d’un plafond, l’acier devient difficilement ou non soudable (teneur en carbone > 1%). On notera ainsi par exemple que les fontes blanches (1.7 à 4% de carbone et 0.5 à 3% de silicium) ne se soudent pratiquement pas.

Le coefficient de soudabilité « S » varie de 0 à 10.

On parle de « teneur en carbone équivalent » ou Ceq défini par :

Méthode IIS
Méthode BVRA

Ainsi les aciers au carbone ou faiblement alliés seront dits :

  • Parfaitement soudables : 0% < teneur en C < 0,25 %,  9 < S <10. Toutefois, si les épaisseurs sont fortes, un préchauffage peut être envisagé.
  • Moyennement soudables : 0,25% < teneur en C < 0,45 %, 7 < S < 9.
  • Soudable après préchauffage : 0,45% < teneur en C < 0,65 %, 5 < S < 7, préchauffage de 100° à 400° nécessaire.
  • Difficilement soudables : Teneur en C > 0,65%, 0 < S < 5, préchauffage, électrodes spéciales, traitements thermiques.

Le soudage s’utilise dans les applications mécaniques au sens large, et dans la construction où il constitue de loin le premier moyen d’assemblage. Ainsi, quand les éléments sont réunis en atelier, ils seront systématiquement soudés. Sur les chantiers, on préférera le boulonnage de type Meccano.

Durabilité et légèreté :

Le traitement thermique de l’acier consiste à faire subir à la pièce d’acier un cycle prédéterminé de chauffage et de refroidissement afin d’en améliorer les caractéristiques mécaniques.

  • La densité des aciers est d’environ 7,8 à 7,9.
  • La ductilité des aciers est de 4 à 47 % (allongement avant rupture, cf. schéma ci-dessous).
  • La ténacité des aciers est de 12 à 92 MPa x √m.
  • Le module de Young de l’acier est d’environ 200Mpa.
  • La dureté des aciers est de 120 HB (acier doux), 250 HB (acier inoxydable), 650 à 700 HB (acier à outil). HB désigne la dureté Brinnel (voir ci-dessous)
  • La capacité thermique des aciers est de 440 à 520 J/K.
  • La conductivité thermique des aciers est de 45 à 55 W/(m x K). Acier doux : 46, acier normal : 50.2, mais acier inoxydable : 26, fer : 80, fonte 50…
  • La dilatation thermique des aciers est de 10 x 10-6/K à 14 x 10-6/K (pour l’acier inoxydable).

Traitements thermiques :

Les caractéristiques mécaniques des aciers peuvent être améliorées grâce aux traitements thermiques et aux traitements de surface. On recherche surtout l’augmentation de la limite élastique, de la dureté et à obtenir une structure stable à grains fins.

Le traitement thermique est une opération visant à améliorer les caractéristiques mécaniques du métal (elle consiste à chauffer un métal et à le refroidir). Ces traitements peuvent être réalisés avant ou après l’usinage des pièces pour obtenir les propriétés d’emplois recherchées. On cherche souvent à améliorer la dureté. Mais en voulant améliorer une caractéristique, on en modifie souvent une autre. Ainsi, l’augmentation de la dureté d’un métal s’accompagne souvent de la diminution de la résilience. Cela peut paraître paradoxal, mais en rendant un acier plus dur, on peut le rendre plus fragile, plus cassant. Ces traitements, en modifiant l’acier dans sa structure, modifient également le comportement du métal dans sa capacité à être usiné.

Les traitements thermiques les plus courants sont la trempe, le revenu et le recuit.

Traitements de surface

Si les traitements thermiques permettent de donner à la pièce de l’homogénéité, il peut parfois être intéressant de donner à une pièce une dureté uniquement en surface et de garder à cœur une grande résilience. On parle ici de traitements de durcissement superficiel ou d’opération mécanique (brunissage, grenaillage, sablage, polissage…), chimique, électrochimique ou physique, modifiant l’aspect ou la fonction de la surface de l’acier.

On retiendra que l’acier est un matériau aux propriétés multiples, qui ont même influé sur le vocabulaire courant : l’acier est synonyme de solidité, de confiance (on parle de moral d’acier), de puissance ou d’endurance à l’effort physique (en évoquant des muscles).

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